автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.02, диссертация на тему:Модели и программные средства представления и структуризации знаний в интерактивных гипермедиа системах

ГТ6 ОД

Нй^й-кальна ахадем1я наук УкраТни *" 8 Шотитуг к1бернетики 1мен1 В. М. Глушкова

На правах рукопису

УДК 681.3.015

Б И КО В Вячеслав Валержович

МОД ЕЛ 1 I ПРОГРАМН1 ЗАСОБИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТА СТРУКТУРУВАННЯ ЗНАНЬ В 1НТЕРАКТИВНИХ Г1ПЕРМЕД1А СИСТЕМАХ

05.13.02 — математичне моделювання у наукових дослщженнях

Автореферат дисертацП на здобуття наукового ступеня кандидата техн1чних наук

КнГв 1996

Дисертащею е рукопис. "

Робота викоцана в 1нститут1 шбернетики ¡меш В. М. Глуш-кова HAH УкраТни.

Науковий кер¡вник: доктор техшчних наук, професор

ДОВГЯЛЛО Олексш Михайлович.

OtJjiuifini опоненти: доктор техшчннх наук, професор ТАРАСОВ BiKTop Олексшович,

.кандидат ф1зико-математичних наук БАРДАДИМ BiKTop Олексшович.

Провщна оргашзащя: Нацюнальний техшчшш ушверситет «КП1».

-Захист в.дбудеться JL» Pf*«**- , 19^р. о год. на зааданш спещал1зовано1 вчено! ради Д 01.39.06 при 1нститут1 тбернетики iMeHi В. М. Глушкова HAH Украши за адресою:

252022 Кшв 22, проспект Академжа Глушкова, 40.

3 дисертащею можна ознайомитися у науково-техшчному apxiei 1нституту.

. л , . б U ucon-tOL

Автореферат розшлании «-»--1996 р.

Учений секретар

спешал1зовано1 вченоТ радиРЕВЕНК.0 В. Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсхь проблеми. Сучасн! перспективи розвитку i п!двищення ефективносп використання штерактивних систем обробки шформаци на баз1 персональних комп'ютер1в пов'язаш з подальшою розробкою граф1чних 1нтерфейс1в користувача, програмних ¡нтерфейЫв, 3aco6iB робота в локальних та глобальних комп'ютерних мережах, а також розвитком та розширенням област1 застосувань компакт диск!в (CD-ROM), засоб1в та технологи мультимед1а (multimedia), ппермед!а (hypermedia), в1рту-ально! реальносп (virtual reality), а також шформацшного та програмного забезпечсння мереж1 Internet.

Поява i розвиток ¡нтерактивних ппермед1а систем призвели до широкого розповсюдження 3aco6iB п!дготовки ппердокумент!в (hypermedia documents), Ix змтосування в комп'ютерних подручниках, ¡нформацшно-довщкових системах загального та учбового призначення. 1нтерактивн1 гшермедт системи застосовуються на комп'ютерах практично вс!х платформ, велика юльюсть яких шдтримуе роботу у локальних та глобальних комп'ютерних мережах.

Одною з перспективних областей застосування ¡нтерактивних rinep-мед!а систем е п!дтримка шзнавальноТ, дослщницько! д1ялыюст1 та навчання. Численн! досл!дження у цш облает виявили необхЬипсть розвитку моделей, що е основою цих систем, а також переходу В1д ппермед1а систем, що шдтримують лише подання ¡нформацИ та нав1гацш у не!, до пперме.ща систем, що п1дтримують також процесн конструювання моделей знань користувач1в. Таю "rinepMeflia системи для конструювання знань" дозволяють не лише адаптувати шформаШю до користувача, але й надають користувачам можлив1сть представлятн сво! знания з метою по-дальшого'Тх обговорення та бьчьш глибокого розумшня складних питань, виявлення у сво!х знаниях "б1лих плям" та "насл1дюв нешрного [ю-зум1ння".

Результата дослцхжень та досв1д створення 1 „икористання "ппермша систем для конструювання знань" гв!дчать про гшдшсть вико-ристання моделей та 1дей когн1тивно! психологи, Teopil навчання. Одним з найбиьш перспективних шл(?х1в реал1заци цього шдходу е створення "¡нструментальних когнпивних засоб^в" (cognitive tools), тобто розумових та обчислювальних пристро!в, яш гидтримують, спрямовують i розширю-ють розумов1 процеси користувач1в (/leppi, Коммерс). Особливо сл1Д вид1лити когштивн! засоби, як1 використовують понятшн! карти, семан- • тичш мереж1, плани, фрейми та 1нш1 структури, ЯК1 дозволлють забезпечити необх1Дний р1вень наочност1, формальносп та адекватности моделям структур знань людини.

У дослЦженнях таких структур знань отримав визнання термш "структурн1 знания" (Йонассен, Бейснер, Якк1). Структурно знания — це знания про те, як взаемозв'язаш поняття в рамках певно! облает!. Викори-стання в штерактивних ппермедаа системах наочних та адекватних моделей структурних знань користувач!в сьогодш визнаеться шрепективним, однак е ще не досить досл^дженим засобом шдвищення ефективност! навчання або досл1Джень. Таким чином, питания про розробку моделей i програмних 3acii6iB представления та структурування знань в ¡нтерактив-них ппермела системах е актуальним як в теоретичному, так i в прикладному аспектах.

Мета_доелшкень: створення моделей i програмних засоб!в

штерактивних ппермедаа систем для представления та структурування знань користувач1в, яю б забезпечили можливють використання широкого спектру моделей структур знань, HaBirauira у цих структурах та шдтримку групового (у тому чист дистанцшного) режиму роботи користувач1в. Досягнення мети забезпечено завдяки вир1шенню таких задан:

1. Розробити модель бази структурних знань як компонента ¡нтерак-тивно! ппермел1а системи, який призначений для оргашзацИ та пШтримки

процесу представления та структурування знань користувач!в > ход1 навчання або наукового дослиження.

2. Розроби.-и модел1 оргашзацП представления та систематизаци користувачами (учнями, досл1дниками, викладачами) структурних знань.

3. Для ъерев!рки вищезазначених моделей розробити концепц!ю по-будови програмних засоб!в представления та структурування знань та 1х ¡нтеграцп в ¡нтерактивн! ппермед1а системи.

4. Розробити алгоритми в1зуал!зацп мережевнх структур, яю б забезпечили пщвищення ефективност1 використання цих структур для представления та структурування знань в штерактивних системах.

5. Реал1зувати nporpaMHi засоби представления та структурування знань для середовища МЗ-Windows, яю ор1ентован! на використання р1зними категор1Ями користувач!в.

6. Реал!зувати програмн! засоби представления знань у вигляд! понят! й них карт на WWW-cTopiHKax в мереж! Internet.

Методи_Досл1дж£НЬ. У po6oTi застосовано методи теори множин, Teopil граф1В, дискретно! опттпзацп, об'ектно-ор1ентованого проектуван-ня, проектування баз даних та знань, Teopil навчання, когштивно! психо-логП.

Наукова_новшна роботи:

1. Розроблена модель бази структурних знань (БСЗ) — компонента ШтерактивноТ ппермедаа системи, що призначений для оргашзацм та п1дтримки процесу представления та структурування знань користувачт у ход1 навчання або наукоього дослщження. Модель являе собою спе-циф1кац1ю клас!в (об'ектно-ор1ентований П1дх1д). ВидЬгсяеться базовий клас об'ект1в БСЗ (структур) та базовий клас БСЗ. Огшсуюгься основш методи цих iciaciB. На piBHi базових клаЫв реал1зован! механ!зм збериан-ня та модиф1каш! пперзв'язюв М1Ж об'ектами БСЗ та 1х частицами, збер!гання модиф1кашя зв'язюв ¡з зовшшшми об'ектами — локальними

файлами та в1ддаленою шформашею, мехашзми прив'язування, тишзацп, захисту даних, icTopii верен"' коментування.

• 2. Розроблеш модеЛ1 оргашзацп представления та систематизацн користувачами 'учнями, дослщннками, викладачами) структурних знань. Модел! штегрують положения когттивно! психологи, задачного тдходу та Teopil рефлексивних npoueciB. Процес конструювання моделей структурних знань за допомогою програмного засобу розглядаеться як сшлышй для уб'ект1в та ко.мп'ютер1в процес рпзв'язання р1зномаштних задач; особлива увага при цьому придиыеться рефлексипним процесам, тобто процеегм багаторазового вщображення суб'ектами значень понять та зв'язюв.

3. На баз1 вищезазначених моделей розроблена концепщя побудови пропамних засобт представления i структурування знань та 1х штеграцп в iiiTepaKTHBHi rinepMeflia системи, яка дозволяе комплексно оргашзувати розробку цих програмних засоб!в та переварку вищезазначених моделей.

Розроблеш алгоритми В1зуал1ззшТ мережевих структур, як! забезпечують шдвищення ефектнвност! використання цих структур для представления та структурування знань в ¡ыерактивних системах.

Практична^цшшсть_ робота. Основними ирактичними результатами дисертацшно! роботи е розроблеш автором для середовища MS-Windows штсрактшш! rinepMeflia системи для представления тп структурування знань: "Редактор понятшних карт - 1" (РПК-1), РПК-2 та "Актнв1затор структур", як1 opiGHTOEani на локальне використання учнями, дослщника-ми, викладачами або 1х трупами, та характеризуються р1зннми наборами структур, що використовуються, pi3HH.\in р1внямн розвитку та складност1 штсрфейсу користувача; РПК-3. що ор!ентованнн на використання на \V\V\V-cTopiiiK;;x в глобалыпй комп'ютернш мережi Internet.

P<';uii3aui результате роботи. Результат!! дисертацн викорпстовупа-лчо! при виконашП таких po6iT: за темою 06.02.03/054-92 "1"телекту-.xii.Mi.x !;омп'ь ,1-рних технолопй нарчання на ocuoBi структурування та

актигизаци знань учбового призначення" комплексного проекту ДКНТ Украши Wb05.02.03/Q01K-95 "1нтелектуал1защя шформащйних технологи!"; за темою И.П.405.12 "Розробка м т>д1з та 3acooiB створення дис-танцшного учбового моштсрингу з використанням комп'ючсрних техно-лопй навчання"; м1Жнародного проекту Copernicus'94 — European Commission, Directorate General XIII Joint Research Project #1445 "Flexible and Distance Learning Through Telematic Networks: A Case for Teaching English, and Communication and Information Technologies"; гранту фонду "€враз1я" ]ЧГ°К96-0913 "Оргашзащя загальнодоступного навчання комп'ютерним технолопям мереж! Internet для нащонально! аудитор!! через комп'ютерш мереж! Украши".

Апрабаша_работи. OcHOBHi результата дисертацшно! робот; до-пов!дались та обговорювались на Всесоюзнш наукопи. конференцн "Компьютерные технологии в учебно-воспитательном процессе в школе и вузе" (Свердловск 1990), м1жнароднш науков1Й конференцн "East-West International Conference on Computer Technologies in Education (EW-ED'94)" (Симферополь, 1994), на науковШ конференцн "Програмно-техн1чн1 засоби шформатизаш! ocBiTH" (HBO "Електронмаш", Ки1в, 1995), на наукових сем!нарах 1нституту йбернетики 'меш В.М.Глушкова IIAH Укра1ни (Кшв, 1991-1996).

Пуупкацп. За результатами дисертдцц опубл! ковано 6'праць.

Структура та обсяг робот. Дисертацшна робота складаеться ¡з вступу, чотирьох роздШв, висновк)в по роздшах i загальних висновюв, викладених на 140 сторшках, м!стить 15 рисунюв, список використано! л^тератури з 112 найменувань та 11 додатк!в на 40 аркушах. •

- 6 -

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ

У встуш обгрунтована актуальность теми, сформульован! цш роботи, задач1 дослщжень та основш положения, що виносяться до захисту.

У_перщому_роздШ розглядаеться класиф!кац1я вид!в знань, видшя-ються структура! знания; розглядаються ¡снуюч1 методики здобування, представления та ошнювання структурних знань; з цього приводу аналЬу-ються особливост1 сучасного етапу розвитку комушкацшних та шфор-мацшних технологий; систематизуються ¡снуюч! програмн! зароби представления та структурування знань, у тому числ1 когштивш шструмен-тальш засобц.

На рис. 1 подаш уявлення про структуру знань, що ълкористовують-ся у робот1. Особливо вид!леш дв1 розм1рност1 знань: "елементарн! знания — 1нтегроват знания" та "конкретш знания — абстрактно знания", а також в^дображен! так! важлив1 процеси, як анал!з, синтез, узагальнення та конкретизация. Вони вщповщають напрямкам трансформацп та орган!-зацП знань.

Ылкш

«¿>СЦ)4ЖТЖ1

У мгалменш

ЮЮФ9ТВ1

ГЦ р«гуп*рноеп (у подах об'ск'и)

>4 КОмОТр)КТИ

Двкларативта схшн

(НО)

Структурт

якакня

(«ому)

ЕЯ

Биаш длшшлар»

Аяатз — Скятоэ

Б^льш Ютвгр ован!

Рис 1. Видн та розм1риосТ1 знань

Основу декларативних знань ("знань що") формують першшш регу-лярност в об'ектах та под1ях, 6a30B¡ конструкты, а також литки (имена), що служать для 1х позн?чення. На 1х основ! утворюються поняття. Систс-..,и понять (деклиративм схемы) являють собою наступннй ртень ¡нтегра-uil декларативних знань. Декларативн! знания дозволяють людин1 вшзна-вати та визначати об'екти та под11, що формуе основу для мислепня про ц! об'екти та поди i використання цих схем.

Процедурт знания ("знания як") базуються на декларативних та структурних знаниях. Найб!льш 1нтегрован1 структури пам'ят! — процедуры схемы, KpiM декларативних знань м!стять також процедуры, що роблять можливим використання в!дпов!дних декларативних знань.

Структурт знания — це зна! .я про структуру декларативних знань. Сконцентрован! знания про взаемозв'язки м1ж поияттями, тобто структур^ знания, дуже важлив! для процедурних знань, бо дають можливкть, базуючись лише на них, швидко робити важлив! висновки. Для того, щоб "знати як", необхщно "знати чому". Структура! знания забезпечують основу для вщповШ "чому"; вони описують, як взаемозв'я-заш елементи декларативних знань.

Базуючись на анал!з! сучасних тенденций розвитку засоб1в навчання, у po6oTi робиться висновок, що на сучасному етат мають розвиватис;. засоби, що полегшують перех1д в практищ навчання, по-перше, з!д вбирания готових знань до спря.мованого та cawocTi иного пошуку нових знань I, по-друге, nix заучування до осмисленого вчення. Робиться висновок, що на першому напр'я.мку можуть допомогти сучасн1 засоби те-лекомушкацц, так! як глобальна комп'ютерна мережа Internet, i cynacni технологи обробки та opraHÍ3auiI шформацп, так! як мультимед1а, г!перм. .úa, CD-ROM. Для просування на другому напрямку необхьчно ширше використовувати засоби представления та структурування знань.

У_другому_розд1л1 розглянут! базов! елементи БСЗ — структури. що характеризуются наочшетю, формхтьшетю i е адекиатними для багатьох

сгтуацш навчання та досл!джень моделями структурннх знаиь, що вико-ристовуе люднна. Застосовуються п!дходи та терм!нолог!я об'ектно -ор!ентованого проектування. На основ! анал!зу ¡снуючих когштивних за-coöiß, а також теоретичних положень когштивио! психологи та штучного ¡нтелекту в poöoTi вид1леш таю класи структур як список (SL), список з прописками (SLL), дерево (SH), фрейм (SF), понятшна карта (SCM), граф з шдграфами (SSN), текст (STXT). Введено також клас OBJ — базо-вий клас об'ектов БСЗ. Bei вищезазначеш класи е нащадками icr:ricy OBJ. Статичним (тобто загальним для Bcix об'еючв класу) членом класу OBJ е об'ект KB класу SKB, що виконуе найбьтьш загальш функцп БСЗ (рис.2). Розглянут! ocHOBHi методи зазначених класш.

Списки Керування Доступом (ACL)

10, ver, dn, dp, szd, arc. TID, coma, ACLID. UID. tl. t2, Nmod. KB*

Зв'язки s зоювшйын'

об'сктамя

юелдувания

URLi

Рис. 2. Модель БСЗ, що пропонуеться

Д;ш у ) -ooTi розглядаються три модел! ппермеша систем: модель НАМ, модель Dexter, модель "Вкладеш графи". На 6a3i аошизу зазначе-

них моделей пиермед!а ролширеш дан! та методи клас!в OBJ та SKB. За-пропонован1 наступш ocuooiii модиф!кацн БСЗ:

1. Мехаи1зм_приа'язування. Кожен об'ект OBJ м!стить список якор1в, чо мають р!зни.. зм1ст для р!зних клас!в — спадкосмщв класу OBJ. Якорями можуть бути пункти списку в SL, пункти списку, п!дсписки, пункти п1дсписк!в в SLL, слоти в SF, вузли в SH, вузли та зв'язки в SCM, пщграфи, вузли та зв'язки в шдграфах, типи зв'язив в SSN, частинн текст)' в STXT. Якор1 можуть бути не т!льки фасован!, але й Ti, як! обчнс-люються, наприклад, вузол з певним !м'ям або типом в понятшшй карть Кр!м того, SKB пщтрнмуе таблицю асощативних зв'язюв (гчерзв'язюв) об'екпв. Кожен пперзв'язок мае наступну структуру: !дентиф!катор пер-шого об'екта, тип якоря в першому об'ект!, дан! якоря в першому об'ект!, ¡дентиф!катор другого об'е:.га, тип якоря в другому об'ект!, даш якоря е другому об'ект!, напрямок, автор, час створення.

2. Механ1зм_1ИП1заш1. Введемо поняття типу об'екта БСЗ. Будемо розр!знювати тип об'екта у БСЗ та тип об'екта у miaci. Кожному класу дамо ушкальний ¡дентиф^атор (CID), кожному типу об'ект!в в miaci да-мо ун!кальний у (caaci ¡дентиф!катор (TIDloc). Тод! пара <CID, TIDloc> буде задавати ушкальний у БСЗ !дентиф!катор об'екта (TID). Об'екти БСЗ пов'язан! м1ж собо. пперзв'язками. Ц! пперзв'язки мають напрямо'-. Задамо тип об'екта так, щоб в!н накладав обмеження на типи об'ект!в, з якими даний об'ект може бути пов'язаний "рихщними" пперзв'язками. Будемо пШтримуватн також спадкування тишв об'ект!в БСЗ, вважаючи, що обмеження, задан! у батьк!вському Tuni, з'еднуються (AND) з обме-женнямп, як1 задан! безпоссредньо в даному тип!. Таким чином, тип об'екта БСЗ може бути описаним такою структурою: ¡дентифжатор класу об'ект!в БСЗ, ушкальний у клас! 1дентиф!катор типу, ушкальний у клас! !дентиф!катор батьк!вського типу, масив ун!кальних у БСЗ ¡дентиф1ка-Topis TiiniB (з якими дозволено створювати вих1дн! г!нерзв'язки), po3Mip

цього масиву. Тип об'екта збер!гаеться в кожному об'ект! (OBJ), таблиця TimiB описана в КВ.

Будемо розр1зняти "тучку* тип1заШю об'екпв БСЗ, коли типи об'ект!в можна зм!нювати в штерактивному режим!, та "жорстку" тишзац!ю, коли зм!иа TuniB потребуе перекомп1ляцп програмного засобу. Сучасним програмним засобам представления та структурування знань прнтаманна "жорстка" тишзашя обоЫв БСЗ, що звужуе область 1х застосувань.

3. Мехамзм.захисту_дант: реал!зуеться через списки керування доступом (СКД). Створення СКД для об'екта е не обов'язковим. СКД

м!стить у co6i ¡м'я користувача та ряд дозвол!в. Корнетуватем е будь-хто, t

хто мае доступ до БСЗ. Пцггримуютьск наступи! типи дозвошв: перегляд, анотувашш, оновлення, руинування. KB 36epirae глобальний список кори-стувач!в БСЗ з 1х даними, шо включають пароль та статус (адмш1стратор, звнчайний користувач, петь).

4. Me.xaiii3M Jc.TOpil jepciil. 1стор1я версий для об'екта БСЗ онов-люеться кожен раз, коли об'ект модифжуеться. Об'екти (екземпляри кла-су OBJ) можуть мати атрибута "арх^вувати" або "не арх1вувати". Коли оновлюеться деякий об'ект, який мае атрибут "арх1вувати", створюеться нова верС1Я об'екта з використанням нового вм!сту. Попередн! версП такого об'екта також залишаються доступными. Коли оновлюеться деякий об'ект, що мае атрибут "не архшувати", попереднш bmict замшюеться но-вим. Застарш! верен можуть автоматично руйнуватися. Загальш даш об'екта БСЗ включають час його створення, останньо! модифжаци, юльК1сть модиф!кацш.

5. Мехашзмяомснтування. В робот1 розглядаються модел1 представления та систематизацн користувачем структурних знань. Модел1 базу!?> rirCM на потженнях когштишю! психологи, задачного тдходу та Teopil рефлексивш х процес!в. Пронес конструювання моделей структурних знань за допомогою програмного засобу розглядасться як пронес

розв'язан,тч р1зних задач, який розпод1Ляеться М1Ж суб'ектами та комп'ютерами; особлива увага при цьому придляеться рефлексивним процесам, тобто процесам багаторазового воображения суб'ектами значень понять та зв'язюв. Застосовуеться розвиненин автором (додаток 6) апарат рефлексивно! злгебри ВЛефевра.

Нехай 12 — ситуация, У якш в'щбуваеться представления та структурування знань. В ситуацП £2 будемо видшяти поле первинних об'екпв, под!й або ситуашй (Т), що вважасться незмшним за пром1жок часу, що розглядаеться, множину !х матер1альних моделей (М) та множину 1х ¡деалышх моделей (I). У даному випадку Т-£Кк, де К; — знания суб'екта (Н5) за певною темою (розд!лом) курсу (облает! зчань) 0|, Мь — (комп'ютерна) модель структурних знань суЗ'екта. Як вид модел1 може виступати одна з описаних структур (БЬ, БН, БСМ, БЬЬ, ББМ, БТХТ) або вся БСЗ.

Я кщо — модель структурних знань суб'еючв {Н5} за темою Б, у вигляд! понятшно! карта (БСМ), М^ — ¡мена понять, Иь,,,,, — ¡мена зв'язк1в, — оператор усвщомлення суб'екта Н5, тод)

. м1з- 1ыьк + . '.

. I - <1КЬ + - хкь + 1Х':5к 1М% + га,,

М -1М1а, л- т + м + т.

Для п!дтримки рефлексивних процеав з метою стимулювання про-цесш глибокого розумшня та мислення в БСЗ вводиться структура даних коментаря ОСошш, яка метить тип якоря в об'екгп коментування, даш якоря в об'ект1 коментування, текст коментаря, ушкальнип ¡дентиф1катор автора коментаря, час створення коментаря, позначку прочитання коментаря автором об'екта, текст в!дпов'1д1 автора об'екта коментування, час створення в1Дповщ1. Механизм коментування дае можлив1сть приеднувати коментар1 до кожного об'екта БСЗ: поняття чи зв'язку у понятшшй карт!, пункту списку, слоту фрейму, вузлу дерева. Спещалышй атрибут може

бути використаний для дозволу чи заборони коментування у тому чи ¡ншому об'ект! для шшнх корнстувачш.

Недавно з розвитком 3aco6iB телекомушкацш i особливо мереж! Internet стало мождивим створювати кооператив^ дистанцшн! середови-ща. В робот! роа,°пянуто застосування БСЗ як компонента кооперативного дистанцшного середовища п!дтримки шзнавально! або досл!дно! д!яль-HocTi, виходячи з можливост! викорисг.-ння наступних пяти базових вид1в транзакцш: пересилка документ!в; фаили, що розд!люються; rinep-текст (WWW-сторшки), що розд1люеться- асинхронн! конференци; син-xpoiiHi конференци.

Ул ретьомурозд!л! запропоновано та розглянуто концепшю побудо-ви програмних засобш представления та структурування знань та Ix iHTe-грацн в iiiTepaicriiBHi ппермедаа системи, що базуеться на моделях, яю розроблеш у другому роздали Концепшя. що пропонуеться, дозволяе посл!довно (див. ркс. 3)

- побудувати наочн! базов1 модел1 структурних знань (СЗ), яю o'lieiiToiiaiii на використання в !нтерактивних ппермед!а системах такими категор!ями користувач!в, як учн1, досл1диики, викладач!;

- на основ! нпочних базових моделей СЗ побудувати г!пермед1а моде л! СЗ, як! шдтриму!оть жорстку та гнучку !нтеграц!ю базових моделей СЗ:

- орган!зувати динам1чну реестращю клас!в базоаи" моделей СЗ в rincpMeflia моделях СЗ з гнучкою ¡мтеграцкю базових моделей;

- побудувати два ряди програмни.. 3aco6iB представления та структурування знань: платформо залежш засоби; платформе незалежн! засоби, що opieiiTOBaiii на використання на WWW-cTopliiKax в мереж! Internet;

• орган!зувати горизентальну та ве^тикальну знизу-вверх сум!сшсть цих програмних 3aco6ie за данями;

- штегруьгги побудован! модел! СЗ у зовн!шн! текстов!, ппертек-стоь! та iiunl документ;

- В1иористати побудован! модел! СЗ в мереж! Internet;"

- орган!зувати базу завдань для оцшкч структур!!,ix знапь.

Модел! СЗ Программ засоби для локального 8Икорнс7ання Програмч! засоби для хнкориста'шя iiaW'WW-cioplincax в Internet

Ппермед1а модел! СЗ з "гнучкою" lmerpaqino базових моделей: - э/без схемн ime?aijil - з/без фИссованого тбору базових моделей <—>

Т t

Ппермеда модел СЗ s 'жоргтхою" imerpaipc» базових Моделей РПК-2, АС, Inspiration, TextVislon. Learning Tool, SemNet <—> (РПК-3)

t

Наочн1 базов! модат СЗ: SL. SLL, SH, SF, SCM, SSN, STXT PIXK-L,..'. <—» РПК-3,...

/К i л 1

Лохалый базн зкань Ресурс» мереж! Internet

Рис. 3. Програмт эасоби представления та структурування знань

Запропонована концепц!я дозволяе комплексно орган!зувати розроб-ку прог^амних засоб1в представления та структурування знань та пе-рев!рку моделей, що лежать в основ! цих засоб!в. Бона дозволяе уникнути ситуац!!, коли розроблен! засоби е несум!сними за даними, а модели що складають Тх основу дуже непросто пор!вняти.

Завдяки комплексному шдходу до розробки програмних засоб!в представления та структурування знань, який пропонуеться у и!й кон-цепц!1, з'являеться можлив!сть реал!зовувати та перев!ряти бшьш складн! та гнучк! ппермед!а модел! СЗ —- модел! СЗ з "гнучкою" штеграц!ею наочних базових моделей.

, Запропоноваш принципи та мехаШзми (нтеграцн засоб!в представления та структурування знань в ¡нтерактивн! ппермед!а системи розгля-

аут1 на приклада програмно! системи, що включае наступи! три тдсисте-ми: 1) браузер/редактор гшертекстових докумект!в; 2) браузер/редактор баз структурних знань; 3) П{ )гравач/конструктор тест!в знань.

Розглянуто запропоновану об'ектно-ор1ентовану базу структурних знань, яка шдтр: луе динам!чну реестртщю клапв базових моделей структурних знань.

Розглянуто алгоритми в1зуал!зацЯ мережевих структур, як! п1двищу-ють • ефектившсть викорнстання цих структур для представления та струк.урування знань "в 1нтерактивних системах.

Експериментально були видшеш три фактори, що впливають на трудшсть сприйняття грае] !чних репрезентацШ мереж (за умови ф1ксова-носп розмфпз мереж! за двома координатами):

1) сумарна довжина зв'язк1в (повинна бути м|н!м1зована);

2) к1льк1сть зв'язкт, що накладаються (повинна бути нульоаою або дуже малою);

3) симетр1я мереж! (повинна бути максим13ована).

Важливою характеристикою цих фактор)в е те, що вони можуть бути обчисле:н. Розроблено дв! групи алгоритм!в, що оптим1зують три за-значених фактори:

- що не використовують конф1гураци (множини дозволених коорди нат вузл^в). ЯК1 опти.чпзують фактори 2 та 3;

- що використовують спец1альш конф!гуращ1, що о. гнм^зують фактори 2 тл 3. •

Пс1>ша трупа складаеться з одного алгоритму що м!н!м!зуе сумарну "довжину зв'язюв" мереж! Р^ - X I И " Х1 I + I Ук " У) I шляхом псрсставлення п вузл!в на то г я дозволених позишях. 1-ри кшцевш роалиацн дозволеи1 позицн задаються користувачем в !нтерактивному режим!, а алгоритм запускаеться натисненням певноТ комбЫацн клав! ш або пибором шдповиного пункту меню. Як метод оптнм!заци пропонуеться

використовувати метод град1ента, що дозволяе за приинятний час знахо-дити лок льний мппмум функци р!..

Друга_група алгоршдпв використовуе спец!альн: конф1гуращ! для оптим1зацп фактор!В 2 та 3 (рис. 4). Щ коиф1гурацн мають наступи! характеристики:

центри вузл1г роз\«щуються на перехрещеннях двум!рно! квадратно! координатно! С1тки;

конф!гурацп мають симетрш: вертикальну, горизонтальну та цен-' тральну;

сумарна юльккть накладень зв'языв мппмальна (дор1внюс нулю або невеликому натуральному числу).

I 9 I

1 » I « "I

Рис.4. Дш конф1гурЗД11 одше} мереж! перед улсрядкуванням |

огпнм1эащею та теля них

Наочнг конф!гураш!, що розглядаються, базуються на матрицях спешального виду. Назвемо щ матриц! Ь52-матрицями. Для будь-яко! 1-52-матриш М розм!ром 2п х 2п виконуються наступи! умови:

1) МП .Л "О або 1, тобто Ь32-матриц! е (0,1)-матрицями;

2) М[! ,]] - М{2т1-! ,2п-1-Л - М[2п-1-! ,]] - М[! , 2п-1-Л;

п-1

11-1

3)1М[!,Л-1, 1М[!,Л-1; ¡=0

-164) сумарна к!льк1сть тршок вузл1в, що лежать на однг"; (похилш) прям1й лши дор1внюе мш!мально можливому для Bciel множини матриць, що задовольняють умовам 1, 2 та 3.

Застосування и52-матриць enpiuiye проблеми симетри вузл1в та MiHiMi3auii числа зв'язюв, що накладаються. Однак для забезпечення симетри мсреж1 (яка звичайно не м1стить ycix можливих зв'язюв) необхцдао також виршити проблему симетри зв'язюв. Пропонуеться ввести функшю симетри мереж1 Fs, що дор!внюе сум! пар симетричних (горизонтально, вертикально або центрально) зв'язюв. Цю функщю необхс.но максим!зувати, використовуючи вщповщну юлькост1 вузл!в конф1гуращю, що базуеться на LS2-MaTp;mi, та переставляючи вузли. При цьому задо-вольняються ф. ;<тори наочносп 2 та 3.

Щоб задовольнити фактори наочност! 1, 2 та 3, розглянемо функцда F„ - к, • Fs - к2 • FL , яку назвемо функщею rapMOHil. Максим1зац1я функцн rapMOHil для кокф1гурац!1, яка базуеться на LS2-MaTr»mi, знахо-дить компромю м1ж оптим'1защею функц!! симетри зв'язюр, та сумарно! довжини зв'язк1в, що на прак -ищ дае найкращий результат. Коеф!ц!енти к, та кг п!д6нраються i можуть не залежати в1д п. В додатку наведен! ре-алЬацн мовою С алгоритм^ розрахунку координат вузл!в мереж1, що розглянут! в даному параграф!.

У. четвертому роздШ розглядаються розроблен! програмш засоби представления та структуруваиня знань, а акож Тх апробашя та перспек-тиви розвитку.

Розроблений програмний 3aci6 конструювання понятшних карт "Редактор понятшних карт - 1" (РПК-1) працюс в середовишд MS-Windows. За допомогою РПК-1 користувач! можуть конструювати понятган1 карта, що е моделями 1х шдивщуальних або роздшюваних знань певно! облает! (теми). Понятшш карта, що побудоваш за допомогою РПК-1, можуть м'стити до 200 понять та 400 зв'язюв i можуть бути збережен! в файл!. В РПК-1 користувач може скошювати зображення понятшно! карта в

Clipboard та noTiM надрукувати його чи вставити в 1нший документ. Ко-ристувач може задавати кольори понять та зв'язк1в. 1нтерфейс користу-вача РПК-1 зро^иено максимально зручним. РПК-1 може використовува-тись практично кожним користувачем, шо мае навички роботи в MS-Windows. На практиц1 РПК-1 можна використовувати починаючи з середах клаав середньо! школи. "Редактор понятШних карт - 2" (РПК-2) мае б!лыи складний мультидокументний (MDI) штерфейс. РПК-2 шдтри-муе роботу з одшею понятшною картою; вш дозволяе зв'язувати тексто-вий фрагмент з кожним поняттям або зв'язком, а також з понятшною картою у цьтому. РПК-2 може використовуватись починаючи 1з старших клас!в середньо! школи. "Актив1затор структур" (АС) дозволяе працювати одночасно з дек!лькома пот,ятшними картами, встановлювати пперзв'язки М1Ж поняттями та зв'язками, що належать pi3HHM картам. 3 кожним поняттям в АС ь. )Жна зв'язати текстовий фрагмент, деюлька локальних до-кумент!в або URL; видьляються глобальш поняття, що належать одночасно деюльком картам. АС opienTOBaiiO на використання у вузи "Редактор понятшних карт - 3" (РПК-3) реал1зовано мовою Java i opieHTOBaHO на використання на WWW-сторшках в мереж! Internet. Bin дозволяе в1зуал1зувати та частково редагувати файли у форматах РПК-1 та РПК-2.

РПК-1, РПК-2 та АС були упроваджеш в лще! природничо-наукового профьчю м. Киева, де був проведений ряд дослщжень, в яких приймали участь учн! 9-11 клас1в та викладач!. Шдтверджено ефектившсть застосування цих програмних засоб!в при викладашн та вивчеин! ф!зики та б!ологн. Дан! nporpa.MHi засобн дозволяли швидко п!дготовляти наочш схеми, що використовувалися на уроках, а також спрняли б!льш глибокому розумшню матер!алу ¡нтерактивннх г!пермед1а енциклопедш при внкорлстанш на позакласних заняттях. РПК-3 застосовувався в днс-танц!йному учбовому Kypci "Комушкацшш та шформащйи! технолог!!", якин реал!зовано на WWW в мереж! Internet в Учбовому центр! 1нституту юбернетики ¡м. В. М. Глушкова ПАН Украши. РПК-3 е ефек-

тивним WWVV-opieiiTOBaHMM засобом представления в!дношень М1Ж по-няттями та зв'язками, що f -вчаються або досл1джуються. Його застосу-ванн' шдвйщувало яюсть прямого i особливо зворотного зв'язку, допома-гало виявляти трудноии та помилки рг-зумшня 1, таким чином, тдвищува-ло як!сть навчання в шлому.

УЛ!СНОВКУ сформульоваш OCHOBHi результата роботи.

Y-ДОДатках наведеш акт про запровадження розроблених програмних

засоб^; описи мовою С++ базових miacip бази структурних знань; алго-

/

ритми побудови LS2-MaTpnub; Ь52-матриц1 для л с [1,10]; алгоритми роз-рахунку координат вузл1в мережевих структур; апарат анал1зу рефлексивних npoueciB; методика введения та застосування понятшних карт в навчанш; приклади понят1Йних карт, що побудован! за допомогою реал!:ованих програмних 3aco6iB.

OCHOBHI ПОЛОЖЕНИЯ ДИСЕРТАЦ11 ОПУБЛ1КОВАН1 В ТАКИХ ПРАЦЯХ:

1. Быков Р В., Ильичев Д.Е., Литвинов М.А. Компьютерное моделирование электростатических полей // Компьютерные технологии в учебно-воспитательном процессе в школе и вузе (Свердловск, 13-15 ноября 1990 г.): Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. — Свердловск: Свердл. пед. ин-т, 1990. - С. 103-104.

2. Быков В.В. Разработка объектно-ориентипованной базы данных для хранения иерархических и сетевых структур, ориентированной на использование в инструментальных системах конструирования АУК // Опыт разработки и внедрения компьютерных технологий в обучении. — Киев: Пп-т кибернетики им. В.М.Глушкова HAH Украины, 1994. — С. 2030.

3. Bvkov V.V. One Application of General Problem Solving Theory Approach to Development pf Education Software // Easi-West Conf.

Coraput. Tech. in Education (Crimea, Ukraine, Sept., 19-23th, 1994), Conf. Abstracts. - Moscow: ICST1, 1994. - P. 107.

4. Отенко В.I., Биков B.B. Електронне навчальне видання в контекст1 безперервно! профосв1ти // Психолого-педагопчш проблеми профес1йно1 ocBiTH: Науково-методичний збфник. — К., 1994. — С Л49-352.

5. Биков В.В. Програмш засоби оргашзацп та шдтримки конструю-вання знань // Програмно-техшчш засоби шформатизаци ocBiTii: Ma-' тер1али науково-методично! конференцИ. — К., 1995. С.82.

6. Быков В.В. Реализация гипермедиа системы организации и поддержки конструирования знаний // Коммуникационные и информационные компьютерные технологии в обучении. — Киев: Ин-т кибернетики им. В.М.Глушкоза HAH Украины, 1995. - С. 25-36.

Быков B.B. Модели и программные средства представления и структуризации знаний в интерактивных гипермедиа системах.

'Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.02 — математическое моделирование в научных исследованиях. Институт кибернетики им. В. М. Глушкова HAH Украины, Киев, 1096.

Защищается рукопись на основе 6 статей, которые содержат в себе результаты исследований и разработок мс елей и программных средств представления и структуризации знаний в интерактивных гипермедиа системах. На основе разработанных моделей и инструментальных средств реализованы: в среде MS-Windows — программные средства представления и структуризации знаний, ориентированные на различные категории пользователей; на языке Java — программное средство визуализации понятийных карт, ориентированное на использование на WWW-страницах в сети Internet. Проведена апробация разработанных средств в лицее естественно-научного профиля г. Киева, а также в дистанционном учебном курсе "Коммуникационные и информационные; технологии", реализованном на WWW в сети Internet в Учебном центре Института кибернетики им. В.М.Глушкова HAH Украины.

Bylsov V.V. Models and program tools for representing and structuring of .Knowledge in interactive hypermedia systems.

Dissertation for the degree of Candidate of Sciences in Engineering. Speciality: 05.13.02 — mathematical modeling in researches. V.M.Glushkov Institute for Cybernetics, NAS of Ukraine, Kiev, 1996.

The manuscript is based on 6 articles containing the results of researches and development of models and program tools for knowledge representation and structuring in interactive hypermedia systems. Following tools were developed dt. ing the research: MS-Windows concept mapping tools for different categories of users; a Java applet for concept mapping on the Web pages in Internet. The tools were testeu and approved at Kiev natural sciences lyccum, and in "Communication and Information Technologies" distance WWW-based learning course developed at IRTC, V.M.Glushkov Institute for Cybernetics, NASU, Kiev, Ukraine.

Ключош слова: 1нтерактнвн!сть, когн1тивний ¡нструментальний 3aci6, г1пермед1а система, представления i структурування знань, комп'ютернг технолопя нанчання, модел1 i програмн1 засоби, бази знань, структурш знания, понятии! карти, Internet.