автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка и исследование инструментальных систем игрового обучения на основе анализа проблемно-ориентированных формальных программных машин

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ИГРОВЫЕ ОБУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ.

1.1. Игровые обучающие системы.

1.1.1. Игровые обучающие системы. Основные понятия.

1.1.2. Классификация систем обучения и игровых обучающих систем.

1.1.3. Структура систем игрового обучения.

1.1.4. Особенности и методы игрового обучения.

1.1.5. Этапы проектирования игровых обучающих систем.

1.1.6. Проблемы проектирования игровых обучающих систем.

1.2. Теоретические аспекты игрового обучения.

1.3. Программные инструментарии игровых обучающих систем.

1.3.1. Программные инструментарии игровых обучающих систем. Основные понятия.

1.3.2. Обобщенная структура программных инструментариев игровых обучающих систем.

1.3.3. Недостатки программных инструментариев игровых обучающих систем.

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ПРОГРАММНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ АНАЛИЗА ИНСТРУМЕНТАРИЯ ИГРОВОГО ОБУЧЕНИЯ.

2.1. Понятие универсальной алгебры.

2.2. Понятие формальной программной машины.

2.3. Проблемно-ориентированная программная машина, описывающая модель предметной области для обучения.

2.4. Проблемно-ориентированная программная машина, описывающая обучающий игровой инструментарий.

2.5. Взаимосвязь между проблемно-ориентированными формальными программными машинами, описывающими предметную область для обучения и обучающий игровой инструментарий.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ ИНСТРУМЕНТАРИЕВ ИГРОВЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ.

3.1. Технология проектирования программных инструментариев игровых обучающих систем.

3.2. Использование объектно-ориентированного подхода при проектировании обучающего игрового инструментария.

3.2.1. Основные классы ПИИОС.

3.2.2. Схема взаимодействия объектов классов ПИИОС.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОБУЧАЮЩЕГО ИГРОВОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ ПО ОСНОВАМ ПРОГРАММИРОВАНИЯ.

4.1. Определение основных задач, решаемых обучающим игровым инструментарием.

4.2. Технические и программные средства для создания и функционирования обучающего игрового инструментария.

4.3. Анализ и формализация предметной области для обучения основам программированию.

4.3.1. Объекты ПОО.

4.3.2. Понятия ПОО.

4.3.3. Описание синтаксических конструкций системы операций ПОО.

4.3.4. Управляющие синтаксические конструкции ПОО.

4.3.5. Проектирование этапов обучения.

4.3.6. Проектирование сценария для этапов обучения.

4.3.5. Построение графа этапов обучения для ПОО.

4.4. Формальная программная машина, описывающая ОИИ.

4.4.1. Описание объектов ОИИ.

4.4.2.Описание понятий для обучения в ОИИ.

Описание синтаксических конструкций системы операций в ОИИ.

4.4.4. Описание управляющих конструкций в ОИИ.

4.5. Структура и принципы функционирования обучающего игрового инструментария.

Актуальность проблемы. Важное место в совершенствовании образовательного процесса занимают обучающие системы нового поколения, которые позволяют не только передавать и накапливать знания, но и стимулировать развитие творческих способностей обучаемого. Одним из наиболее эффективных современных средств, используемых в автоматизированном обучении, являются игровые обучающие системы (в том числе игровые системы обучения программированию), позволяющие в игровой форме приобрести практические навыки решения конкретных задач, обучить работе с предметной областью.

Основными этапами при создании программного инструментария игровых обучающих систем (ПИИОС) являются:

1) анализ и формализация предметной области обучения (ПОО);

2) проектирование этапов обучения;

3) разработка программной части инструментария;

4) программная реализация модели предметной области и этапов обучения.

Этап анализа и формализации предметной области обучения, по оценкам специалистов, занимающихся вопросами инженерии знаний, сложен в выполнении, поэтому задача формализации и автоматизации систем математического обеспечения и проектирования ПИИОС как единого целого является актуальной проблемой. Решение данной проблемы требует развития и применения новых теоретических и технологических направлений в прикладной теории алгоритмических алгебр и моделей представления знаний.

Наиболее полно теоретические концепции построения обучающих систем, моделей представления знаний изложены в научных трудах Попова Э.В., Поспелова Д.А., Нильсона Н., Минского М., Поспелова Г.С., Самойлова В.Д. и др. Развитие теорий универсальных и алгоритмических алгебр освещено в работах Глушкова В.М., Хоора К., Дейкстры Э., Цейтлин Г.Е., Ющенко Е.Л., Коричнева Л.П., Каширина И.Ю.

Использование проблемно-ориентированных программных машин для проектирования ПИИОС является малоизученной проблемой. Решение этой проблемы позволило бы провести структуризацию и оптимизацию построенной модели предметной области, упростить процесс проектирования игровых обучающих систем.

Математическим аппаратом формализации рассмотренных проблем является теория графов, теория универсальных и алгоритмических алгебр. Диссертационная работа посвящена вопросам проектирования ПИИОС на основе использования теории графов и алгоритмических алгебр.

Целью работы является разработка и исследование способов проектирования программного инструментария игровых обучающих систем на основе теории алгоритмических алгебр, позволяющих создать единый формализм для описания структуры и функционирования предметной области.

Методы исследования. Исследования осуществлялись на основе теории алгоритмических алгебр, теории множеств, теории графов, методов структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

1. Предложен оригинальный механизм автоматизированного обучения с использованием игровой предметной области для обучения понятиям и механизмам работы в другой, более сложной области.

2. Предложена новая проблемно-ориентированная программная машина, дающая возможность адекватно описывать различные предметные области для обучения.

3. Предложена новая проблемно-ориентированная программная машина, позволяющая формализовать анализ ПИИОС, представить объекты, понятия, синтаксические и управляющие конструкции в виде формальных алгебраических систем, что упрощает разработку структуры и программную реализацию игрового обучающего инструментария.

4. Разработаны алгоритмы преобразования графа понятий предметной области, позволяющие упростить проектирование сценариев обучения для выбранной предметной области.

5. Проведен анализ и описаны свойства правильности построения семантической сети понятий предметных областей обучения и ПИИОС, позволяющие автоматизировать контроль корректности семантической сети.

6. Предложены основные принципы формирования этапов и сценариев обучения на основе семантической сети понятий предметной области, позволяющие автоматизировать процесс построения инструментальных систем игрового обучения.

Практическая ценность. Результаты работы являются основой для проектирования ПИИОС, применяемых в процессе обучения. Используемые в диссертации формализм и методы позволяют:

• построить модель предметной области обучения, обладающую свойством функциональной правильности;

• на основе полученной модели разработать этапы и сценарии обучения;

• создать соответствующую формальную программную машину, моделирующую игровой инструментарий.

Результаты диссертации отражены в программе "LTGameDesigner", -игровом инструментарии для обучения основам программирования.

Разработанные методы и средства построения ПИИОС могут быть приняты за основу при создании инструментальных систем игрового обучения. Основные задачи исследования.

1. Разработка проблемно-ориентированной программной машины, описывающей системы ПИИОС с целью формализации процесса проектирования и анализа обучающих игровых инструментальных систем.

2. Формализация предметной области обучения в ПИИОС, разработка проблемно-ориентированной программной машины, адекватно описывающей ПОО.

3. Создание технологии проектирования ПИИОС, основанной на теории формальных алгоритмических алгебр.

4. Исследование и разработка алгоритмов структуризации представления этапов обучения в ПИИОС.

5. Описание объектно-ориентированного подхода к проектированию ПИИОС.

6. Разработка оригинальных проектных решений по программной реализации ПИИОС.

Внедрение результатов. Разработанные в диссертации теоретические положения внедрены в Научно-информационном центре проблем интеллектуальной собственности (г. Москва), а также в учебном процессе Рязанской государственной радиотехнической академии.

Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции, г. Рязань,2000г; 9-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2000г; 36-ой научно-технической конференции, Рязань, 2000г; 10-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2001 г; 37-ой научно-технической конференции, Рязань, 2002г; а так же на научных семинарах кафедры ВПМ РГРТА.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст содержит 119 страниц, 14 таблиц, 38 рисунков. Список литературы состоит из 91 наименования. Приложения выполнены на 17 страницах.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Проанализированы основные типы, теоретические и технологические концепции проектирования инструментальных систем игрового обучения. Выделены основные понятия программных инетрументариев игровых обучающих систем, позволяющие адекватно их описать как класс автоматизированных обучающих систем.

2. Рассмотрены теоретические основы автоматизированного обучения, определены основные типы и характеристики методов игрового обучения, предложена их классификация. Рассмотрены современные технологии проектирования игровых обучающих систем. Определены проблемы проектирования инструментальных систем игрового обучения, предложены методы их решения. Дано описание понятия универсальной алгебры для формализации предметной области обучения.

3. Разработана формальная проблемно-ориентированная программная машина, описывающая предметную область для обучения, выделены и математически описаны ее составляющие. Разработанная формальная программная машина позволяет создать математическую основу для автоматизированного проектирования инструментальных систем игрового обучения, упростить этап анализа предметной области обучения.

4. Разработана формальная проблемно-ориентированная программная машина, описывающая обучающий игровой инструментарий, выделены и математически описаны ее составляющие. Данная программная машина позволяет упростить процесс создания инструментальных систем игрового обучения.

5. Предложена обобщенная схема проектирования ПИИОС. Предложен метод построения этапов обучения с использованием семантической сети понятий предметной области обучения. Предложена методика преобразования графа понятий предметной области для приведения его к древовидной форме. Предложен алгоритм выделения этапов обучения с использованием графа понятий предметной области.

6. Разработана структура ПИИОС. Использован объектно-ориентированный подход при проектировании ПИИОС. Разработана методика проектирования игровых инструментальных систем, отличающаяся от существующих разделением этапов формализации ПОО и ПО ОИИ, которая позволяет более эффективно разрабатывать системы игрового автоматизированного обучения предметной области.

7. На примере ПИИОС "LTGameDesigner" приведено описание понятий предметной области обучения «Обучение программированию», построена семантическая сеть для описания данных понятий. Построены формальные программные машины для описания предметной области обучения и программного обучающего игрового инструментария "LTGameDesigner". Построен граф понятий предметной области обучения. Выделены этапы обучения и спроектированы сценарии обучения для каждого этапа. Приведена структура, описаны принципы функционирования и программная организация разработанного инструментария.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертационная работа включает исследования, по разработке математического и программного обеспечения инструментальных систем игрового обучения на основе анализа проблемно-ориентированных программных машин.

1. Логический подход к искусственному интеллекту: от классической логики к логическому программированию: Пер. с франц./ Тейз А., Грибомон П., Луи Ж. И др. - М.: Мир, 1990. - 432 с.

2. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. 372 с.

3. Уинстон П. Искусственный интеллект/пер. с англ. В. Л. Стефанюка-М.: Мир, 1980. 519 с.

4. Российские образовательные CD-ROM: сегодня и вчера // Компьютер-пресс. 1998. №9. с. 74-93.

5. Кижнер А.И., Новиков В.А., Шнайдерман И.Б. Современные информационные технологии в учебных курсах // Автоматизация и современные технологии. 1998. №3. с.12-15.

6. Танеев P.M. Проектирование интерактивных Web-приложений: Учебное пособие М.:Горячая оиния-Телеком,2001.-272с.

7. Толковый словарь по искусственному интеллекту/ А. Н. Аверкин, М. Г. Гаазе-Рапопорт, Д. А. Поспелов. М.: Радио и связь, 1992. - 256 с.

8. Искусственный интеллект: В 3 кн. Кн. 1. Системы общения и экспертные системы: Справочник/ под ред. Э. В. Попова. М.: Радио и связь, 1990.-464 с.

9. Обучающие машины, системы и комплексы: Справочник/ Под общ. ред. д-ра техн. Наук проф. А.Я. Савельева. К.: В ища шк., Головное изд-во. 1986. 303 с.

10. Автоматизация построения тренажеров и обучающих систем / Самойлов В.Д., Березников В.П., Писаренко А.П., Сметана С.И.; АН УССР. Ин-т проблем моделирования в энергетике. Киев: Наук. Думка, 1989. 200 с.

11. Chris Crawford The Art of Computer Game Design. Washington State University. 1997.

12. Платов В.Я. Деловые игры: разработка, организация и проведение: Учебник. -М.: Профиздат, 1991.20. http://skynet.kharkov.eom/yp/8/4/l/5.html, Информационные технологии на сервере Информика, Fri, 23 Jun 2000.

13. Беспалько В.П. Слагаемые педагогической технологии. М: Педагогика, 1989.

14. Суходольский Г.В. Основы психологической теории деятельности. JI.: Из-во Ленингр. Ун-та, 1988.

15. Попов Э.В. Экспертные системы: Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.

16. Петрушин В.А., Экспертно-обучающие системы. Киев: Наук, думка, 1992.-196 с.

17. Нариньяни А.С., Яхно Т.М. Продукционные системы // Представление знаний в человеко-машинных и робото-технических системах. -М.: ВИНИТИ, 1984.

18. Базы знаний интеллектуальных систем / Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский СПб.: Питер, 2001.

19. Дмитриева Е.И. Технологичность как основной методический подход к созданию курсов дистанционного обучения через Internet // Иностранные языки в школе. 1998. №4.

20. Полат Е.С. Новые педагогические технологии. М., 1997

21. Панюкова С.В. Концепция реализации личностно ориентированного обучения при использовании информационных и коммуникационных технологий. -М.: Изд-во ИОСО РАО, 1998.

22. Панюкова С.В. Информационные и коммуникационные технологии в личностно-ориентированном обучении. М.: Изд-во ИОСО РАО, 1998.

23. Газман О.С. Ответственность школы за воспитание детей // Педагогока. 1997. №4, с. 45-52.

24. Маслоу А. Самоактуализация //Психология личности. Тесты. -М.,1982.

25. Highland F. Embedded AI // IEEE Expert. 1994. №3. - pp. 18 - 20.

26. Winkowski J., Maggiolo-Schettini An Algebra of Process // Journal of Computer and System Science. 1987. - v.35, № 2. - pp. 206-228.

27. Ретюнских JI.T. Игра как она есть или онтология игры. М. :МГПУ, Липецк, Липецкое издательство Госкомпечати РФ, 1997.

28. Эльконин Д.Б. Психология игры. М., 1978.

29. Берн Э. Игры, в которые играют люди: Психология человеческих взаимоотношений; люди, которые играют в игры : психология человеческой судьбы. М: ФАИР-ПРЕСС, 1999.

30. Каширин И.Ю. Объектно-ориентированное проектирование программ в среде С++. Вопросы практики и теории./ Под ред. Л.П. Коричнева. -М.: Госкомвуз России, НИЦПрИС, 1996. 192 с.

31. Каширин И.Ю., Коричнев Л.П. Основы формального анализа интеллектуальных программных систем. М.: Радио и связь, 1997. - 160 с.

32. Abrial J.R. The mathematical construction of a program // Science of Computer Programming. 1984. - v.4, № 1. - p. 45-86.

33. Ластовецкий А. А. Алгебраический подход к схемам структурированных программ // Программирование. 1984. - с. 29-36.

34. Каширин И.Ю. Формальные программные машины для исследования автоматизированных продукционных систем // Вычислительные машины, комплексы и сети: Межвуз. сб. научн. тр. Рязань: Минобразования России, РГРТА, 1999.-100-102 с.

35. Маркова В.В., Маликова Л.В. Применение алгебраических систем к описанию игровых ситуаций в автоматизированных деловых играх // Информатика и прикладная математика: Межвуз. сб. науч. тр./ Отв. ред. И.П. Гиривенко.-Рязань: Изд-во "РИНФО", 2000. -48-51 с.

36. Каширин И.Ю. Формальный анализ эвристических программ // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: Материалы 9-ой Международной науч.-техн. конференции. Рязань: РГРТА, 2000. - 125-127 с.

37. Каширин И.Ю.,. Маликова Л.В, Маркова В.В. Основы формальных систем: Учебное пособие / Под ред. И.Ю. Каширина. М.: Минобразования России, НИЦПрИС, 1999. - 80 с.

38. Павлюк О.В. Обзор некоторых способов формального описания диалоговых систем // Управляющие системы и машины. 1983. - № 6. - С. 74-78.

39. Чепайкин А.О. Семантическая сеть модель представления знаний // Управление образовательным процессом в высших учебных заведениях: Межвузовский сборник научных трудов. Рязань, 1997. С.25-28.

40. Гречко В.О., Капитонова Ю.В., Погребинский С.Б. Инструментальный комплекс сетевых семантических баз данных и знаний // Управляющие системы и машины 1993. №3. - С. 68 - 76.

41. Искандеров Ю.М. Использование семантических графов для построения информационной модели предметной области // Региональная информатика 96: тез. докл. 5-ой С.-Петербург, междунар. конф. - С.Петербург: 1996.-С. 51.

42. Сопатый П.С. Об эффективности структурной реализации операций над семантическими сетями // Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика. 1983. №5.-С. 128-134.

43. Плесневич Г.С. Концептуальные схемы и модели данных // Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика. 1984. №5. С. 23 - 39.

44. Вагин В.Н. Параллельная дедукция на семантических сетях // Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика. 1986. №5. С. 51 - 61.

45. Вагин В.Н., Кикнадзе В.Г. Дедуктивный вывод на семантических сетях в системе принятия решений // Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика. 1984. №5.-С. 128- 134.

46. Ващенко Н.Д. Формирование понятий в семантических сетях // Кибернетика. 1983. №2.

47. Лозовский B.C. Семантические сети // Представление знаний в человеко-машинных и робото-технических системах. -М.: ВИНИТИ, 1984.

48. Клещев А.С. Представление знаний в человеко-машинных и робото-технических системах. -М.:ВИНИТИ, 1984.

49. Г.Корн, Т.Корн Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.,1973. С. 27-28, 368-389.

50. Наумов Д.А. Разработка игрового инструментария для обучения программированию// ЭВМ и информационные технологиии: Межвузовский сборник научных трудов/ Под ред. В.К.Злобина. Рязань: Рязанская государственная радиотехническая академия,2000.97с.

51. Наумов Д.А. Структура обучающего игрового инструментария // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: Материалы 9-й Международной науч.-техн.конф. Рязань: обл.ин-т развития образования, 2000. 160с.

52. Наумов Д.А. Новый подход к проектированию обучающих программ // Материалы 36-й научно-технической конференции / Под. ред. Р.К.Мангутова. Рязань: редакционно-издательский центр РГРТА, 2000. 86с.

53. Наумов Д.А. Принципы функционирования обучающего игрового инструментария //Информатика и прикладная математика: Межвуз. сб. науч. тр. /Под ред. И.П.Гиривенко. Рязань: Изд-во «РИНФО», 200. 93с.

54. Наумов Д.А. Программный инструментарий для обучения программированию // Математическое и программное обеспечение вычислительных систем / Межвуз. сб. науч. тр. / РГРТА; Под ред. JI.П.Коричнева. Рязань, 2001. 160с. ISBN 5-7722-0157-3.

55. Янов Ю.И. О логических схемах алгоритмов. В кн.: Проблемы кибернетики, т.1. - М.: Наука, 1958, с.75-109.

56. Гладкий А.В. Формальные грамматики и языки. М.: Наука, 1973.-368 с.

57. Zilles S.N. Types, Algebras, and modelling. Concept. Modelling: Perspective of Artificial Intelligence, Databases, and Programming Languages. -N.Y. e.a., 1984. - pp.441-450.

58. Кузнецов О.П.,Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. 2-е изд., перераб. и.доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988.-480с.

59. Кузин JI.T. Основы кибернетики: В 2-х т. Т.2. Основы кибернетических моделей. Учеб. пособие для вузов. М. - Энергия, 1979. -с. 185-234.

60. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. Учебное пособие для втузов., М., «Энергия», 1972. с. 59-78.

61. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие. Самара: СГАУ, 1995. 138 с.

62. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. М.: Конкорд, 1992.

63. Петрушин В.А. Интеллектуальные обучающие системы: архитектура и методы реализации // Техическая кибернетика. М.: МАИК "Наука", N 2, 1993.

64. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления. М.: Энергатомиздат, 1981. - 231 с.

65. Дякин М.В., Подорожный Д.А., Сапир М.В. Подход к созданию гибких обучающих систем // Теория и системы управления,- М.:МАИК "Наука", N5, 1996.

66. Забежайло М.И. Финн В.К. Интеллектуальные информационные системы // Междунар. форум по инф. и док. 1996. №2. С. 11 17.

67. Смальян Р. Теория формальных систем. М.: Наука, 1981. - 207 с.

68. Кострикин А.И. Введение в алгебру. Основы алгебры. М.: Физматлит, 1994. - 320 с.

69. Пропп В.Я. Исторические корни Волшебной Сказки. М., Лабиринт, 1998.

70. Пропп В.Я. Морфология волшебной сказки . М., Лабиринт, 1998.

71. Каширин И.Ю., Наумов Д.А. Методы построения инструментальных игровых обучающих систем // Математическое и125программное обеспечение вычислительных систем / Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. Л.П.Коричнева. М.:Минобразования России, Рязань, РГРТА, 2002.

72. Наумов Д.А. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2001611400 «Игровой конструкторский инструментарий для обучения основам программирования» (LTGameDesigner). Зарегистрировано 22.08.2001.

73. Орехов А.И. Формирование приемов эффективного решения творческих задач // Автореферат дис.канд.психол.наук. М.,1985.

74. Попов Э.В. Динамические интеллектуальные системы в управлении и моделировании. М.: МИФИ, 1996.

75. Хорошевский В.Ф. Языковые средства программирования. В кн. Искусственный интеллект. Книга 3. Программные и аппаратные средства. М.: Радио и связь. С.7-17.

76. Хорошевский В.Ф. Программные средства представления знаний. В кн. Искусственный интеллект. Книга 3. Программные и аппаратные средства. М.: Радио и связь. С.7-17.

77. Adeli Н. Knoledge Engineering. McGraw-HiiPublishing company. N.Y.,1994.

78. Cowie J., Lehnert W.G. Information Extraction // Comm. Acm. No39(l).

79. Scott A., Clayton J.E., Gibson E.L., A Practical Guide to Knowledge Acquision. Addison-Wesley Publ., 1994.