автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка предметных онтологий и систем управления дистанционным обучением во взаимодействии с социальными сетями

На правах рукописи

ОЛЬШЕВСКАЯ АНАСТАСИЯ ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА ПРЕДМЕТНЫХ ОНТОЛОГИЙ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИСТАНЦИОННЫМ ОБУЧЕНИЕМ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С СОЦИАЛЬНЫМИ СЕТЯМИ

Специальность 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (образование)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559251

Санкт-Петербург — 2014

005559251

Работа выполнена на кафедре физики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Университета ИТМО).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Стафеев Сергей Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Кожевников Николай Михайлович Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор кафедры физики

кандидат технических наук Посов Илья Александрович

Санкт-Петербургский государственный университет, старший преподаватель кафедры информационных систем

Ведущая организация: Российский государственный педагогический

университет им. А.И. Герцена

Защита состоится 30 декабря 2014 г. в 10.30 на заседании диссертационного совета Д 212.227.06 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, конференц-зал центра Интернет-образования.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан "¿Лр* ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.06

Лобанов И.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень разработанности темы.

Построение индивидуальных траекторий обучения, зависящих от стартовых возможностей обучаемого, его личных предпочтений и персонального темпа изучения материала, на всех этапах оставалось актуальной задачей систем управления образованием, как в традиционной школе, так и в эпоху инноваций и компьютерных технологий. Создание ядра такой системы на основе онтологической базы знаний приближает нас к решению проблемы индивидуальных траекторий при массовом обучении. Однако, первые попытки реализации этого подхода не оказались успешными. Как выяснилось, дело было, в первую очередь, в недостаточной глубине иерархии контентного графа и игнорировании качества и количества необходимых «горизонтальных» связей. Как только были сгенерированы предметные онтологии с пятью-шестью уровнями структуры концептов, то на основе комплексных запросов к базе знаний удалось в первом приближении построить индивидуальные образовательные траектории, сочетающие в себе ретроспективный анализ, геоинформационную компоненту, внутри- и междисциплинарные связи. Было показано, что онтологическая экспертная система управления дистанционным обучением, являясь подмножеством информационных семантических систем, подчиняется основным принципам их топологии, целенолагания, коммуникационной и логической интерпретации. Большое количество литературных источников по «теоретическому» применению онтологии з образовании не компенсирует отсутствие практических рекомендаций и алгоритмов в этой области.

Применительно к задаче автоматизации управления учебным процессом онтологический подход считается актуальным не только дня структурирования предметного содержания изучаемых дисциплин, но и для автоматизированного формирования нормативных документов в образовательной области: рабочих программ, индивидуальных планов, элементов учебно-методического комплекса. И если работа над учебным курсом в дистанционной форме побуждает учащихся к предметному общению в социальных сетях, то конкретные вопросы управления системой ДО должны привести к самоорганизации профессионального сетевого сообщества преподавателей. Таким образом, тему исследования следует признать актуальной и разработанной только с точки зрения теоретической педагогики, а не инженерии знаний.

Целью исследования являлось определение максимально широкого спектра возможностей онтологического подхода к построению автоматизированных систем управления образованием, в том числе систем дистанционного обучения.

Задачи исследования были сформулированы следующим образом:

1. Обосновать применимость предметных онтологии для создания образовательных систем, сочетающих свойства массового обучения с реализацией индивидуальных траекторий освоения учебного материала.

2. Продемонстрировать работоспособность специальных программ — интеллектуальных агентов — при автоматической генерации физических или имитационных моделей, шаблонов тестовых заданий, рубрикаторов мультимедийных комплексов и МООС-курсов с онтологическим ядром в качестве

экспертной системы.

3. Провести сравнительный анализ систем управления ДО на предмет механизма их сопряжения с сервисами социальных сетей. Особое внимание обратить на разработку алгоритмов коллективного наполнения учащимися контентной части онтологии учебного курса, структура которой была задана преподавателем.

4. В общем виде и на примере конкретной предметной области исследовать методику автоматической совместимости формулировок Федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС) в части компетенггностной модели и профессиональных требований со структурой концептов онтологической базы знаний, построенной для выбранного образовательного направления.

Научная новизна. Заключается в рассмотрении онтологической экспертной системы управления дистанционным обучением как подмножества информационных семантических систем, подчиняющегося основным принципам их топологии, целеполагания, коммуникационной и логической интерпретации. Впервые было показано, что онтологическая экспертная система позволяет в автоматическом режиме реализовывать индивидуальные образовательные траектории, зависящие от стартовых возможностей и динамических результатов обучения. Проведенный в работе обзор мировых тенденций в области инженерии естественнонаучных знаний выявил, что существующие инструментальные средства создания и визуализации онтологий применительно к сфере образования должны классифицироваться на основе критериев открытости программной архитектуры, расширенной функциональности и возможности коллективного и дистанционного редактирования. Было впервые доказано, что использование специальных программ — интеллектуальных агентов позволяет построить системы оценки уровня освоения материала обучающимся, которые будут основаны на семантическом поиске, оптимальной визуализации онтологии и интерактивном диалоге. Для формирования индивидуальных образовательных траекторий было впервые предложено обеспечивать не менее 5-6 уровней в структуре концептов онтологического ядра изучаемой предметной области, отражающих, ретроспективную и геоинформационную компоненты, горизонтальные межпредметные связи и специальные средства индивидуализации интерактивных заданий.

Теоретическая и практическая значимость работы. В ходе исследования был найден и апробирован метод автоматической Еерификации создаваемых предметных онтологий на основе семантического анализа структуры концептов совместно с компетентностной моделью обучаемого, изложенной в ФГОС третьего поколения.

Был разработан алгоритм автоматической поэтапной генерации шаблонов тестовых заданий на основе ООМ-представлений и ХМЬ-описаний, а также механизм автоматического выбора рекомендательных сервисов для самостоятельной работы студента с учетом его индивидуального профиля. Результаты апробации авторских дистанционных курсов, построенных по технологии МООК на основе онтологической экспертной системы, подтвердили повышение эффективности процесса обучения, рост мотивации обучающихся и возможность параллельного обучения студентов с существенно отличающимися стартовыми возможностями.

Методология н методы исследования. Работа проводилась с использованием методов и методологии инженерии знаний: построения и визуализации предметных

онтологий, формирования комплексных запросов к базам знаний, семантического анализа метаданных, теории графов, корреляционного анализа. Применялась статистическая обработка данных интернет-опросов, геоинформационных и ретро-хронологических данных.

Положения, выносимые на защиту.

1. Комплексное использование онтологического подхода для управления учебным процессом, позволяет так структурировать предметное содержание дисциплин, чтобы обеспечить индивидуальные траектории обучения, автоматически формировать индивидуальные планы преподавателей и рабочих программ дисциплин, верифицировать компетентностные модели обучаемых и стимулировать создание сетевого сообщества педагогов и учеников.

2. Метод опережающей корректировки образовательной программы с использованием динамически изменяемых онтологий и априорных данных о мировых дивергентных тенденциях в той или иной области знаний. Последние мо1уг выявляться на основе семантического анализа отчетов соответствующих технологических платформ.

3. Алгоритм построения индивидуальных образовательных траекторий на основе построения персонального профиля обучаемого, автоматического выбора рекомендательных сервисов и системы комплексных запросов к 5-6-уровневой предметной онтологии со структурой концептов, учитывающей внутри- и междисциплинарные связи.

4. Результаты апробации авторских МООС-подобных дистанционных курсов, построенных на основе онтологических экспертных систем, подтверждают повышение эффективности процесса обучения, рост мотивации обучающихся в ходе коллективного формирования структуры учебного курса и параллельного обучения студентов с существенно отличающимся стартовыми возможностями.

Внедрение результатов. Результаты диссертационного исследования внедрены в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, в учебном процессе Псковского государственного университета и при разработке УМК по курсу «Прикладная оптика» в Тульском государственном университете.

Степень достоверности п апробация результатов. Апробация выводов и результатов настоящей работы велась в нескольких направлениях. Во-первых, с использованием предметной базы знаний по оптике были разработаны мультимедийные сборники образовательных ресурсов. В них принцип вариативности образовательной программы был обеспечен специальными инструментами для автоматической генерации компьютерных моделей индивидуального пользования. Эти сборники прошли двухлетнюю апробацию на абитуриентах и студентах Университета ИТМО общей численностью более 500 человек. Во-вторых, была проведена корректировка основных и дополнительных образовательных программ по оптике и фотонике с использованием динамически изменяемых онтологий. Проведенный параллельно анализ мировых дивергентных тенденций, выявленных на основе десятилетних данных европейских технологических платформ, был положен в основу определения особенностей динамики выбранной предметной области. Степень достоверности полученных результатов была обусловлена применением методов статистической обработки,

стандартного семантического анализа, сравнением с нормативными параметрами, результатами интернет-опросов и обратной связью с обучаемыми.

Дальнейшие перспективы работы, по нашему мнению, лежат в плоскости расширенной апробации развитых подходов на другие предметные области, применения более совершенных визуализаторов онтологических структур и в совместном с разработчиками социальных сетей создании образовательных сервисов, сочетающих МООК-подобные дистанционные курсы с модерируемым участием пользователей сетей в наполнении онтологического «скелета».

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008 г.); XV Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2008 (Санкт-Петербург, 2008 г.); VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009 г.); XVI Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2009 (Санкт-Петербург, 2009 г.); Третьем Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009 г.); VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010 г.); XL научной и учебно-методической конференции (Санкт-Петербург, 2011 г.); VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011 г.); Всероссийской молодежной конференции «Инженерия знаний и технологии Semantic Web 2011 (KESW2011)» (Санкт-Петербург, 2011 г.); XLI научной и учебно-методической конференции (Санкт-Петербург, 2012 г.); I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012 г.); XLIII научной и учебно-методической конференции (Санкт-Петербург, 2014 г.); III Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2014 г.); Международной конференции «Управление междисциплинарными проектами в инженерном образовании: планирование и выполнение» (Португалия, 2014 г.); XXI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2014» (Санкт-Петербург, 2014 г.)

Публикации. Основные научные результаты диссертационного исследования изложены в 19 печатных работах, в том числе в 5 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы, содержащий 90 наименований. Основная часть работы изложена на 161 странице машинописного текста и содержит 61 рисунок, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен аналитический обзор тенденций применения онтологического подхода в различных областях знаний, а также определены актуальные задачи разработки предметных онтологий в системах управления образованием. Рассмотрены общие принципы, классификационные особенности и инструментальные программные средства для создания и визуализации баз знаний. С точки зрения возможностей формирования онтологического ядра и интеграции с социальными сетями проведено сравнение основных существующих платформ

дистанционного обучения. В качестве выводов сформулированы требования к средствам достижения целей работы: редакторам онтологий, визуализаторам и интерактивным программам, основанным на семантическом поиске.

Во второй главе на примере предметной области «оптика и фотоника» рассмотрены возможности применения онтологического подхода для реализации вариативного дистанционного обучения. Прикладные аспекты исследования были апробированы с использованием созданной коллективом разработчиков Университета ИТМО при активном участии автора данной работы базы знаний «Оптика». Глубина проработки этой онтологии в различных частных фрагментах была различной, но нигде не становилась меньше 6-7 концептуальных слоев. Составлены алгоритмы и продемонстрированы результаты комплексных запросов, позволяющих автоматически актуализировать широкий спектр информационных модулей, применимых в образовательных целях: ретроспективный анализ конкретной концептуальной цепочки, взаимосвязанные контентные потоки с хронологией и персонализацией, тематические геоинформационные данные и т.п. Естественно, что полная визуализация даже 6-уровневой онтологической структуры со всем множеством существенных связей не представляется возможной. Поэтому для наглядного представления принципов создания и применения онтологии в качестве ядра экспертной системы управления процессом обучения выбирались более узкие области (например, прикладная оптика) или существенно редуцировалась структура концептов и связей (рисунок 1). Работа по созданию онтологической модели была разбита на три основных этапа. В первую очередь на основе анализа библиотечных классификаторов и рубрикаторов метаданных научно-образовательных интернет-порталов составлялась базовая иерархическая структура предметной онтологии.

******

Д д

Рисунок 1 — Верхний уровень онтологии предметной области «Оптика»

На втором этапе, используя экспертные оценки, формировалась система горизонтальных разнотипных связей между концептами всех уровней. И в итоге стала возможной реализация механизма структурных и комплексных запросов для представления частных компонент онтологии, востребованных в сфере образования — тематической, геоинформационной, ретроспективной, персональной и т.д. Выбор формата визуализации этих результатов стал отдельной задачей, определяемой конкретным типом данных. Тематические запросы к онтологической базе знаний позволяют представить более узкие области знаний и автоматически составлять учебно-методические материалы. На рисунке 2 представлено множество существенных связей, покрывающих предметную область «Прикладная оптика». На данном изображении их всего около сотни, но на самом деле это количество многократно возрастает, если пытаться отслеживать второстепенные взаимозависимости. Но даже это обилие соединений позволяет выстраивать индивидуальные траектории обучения, а, следовательно, выводит процесс дистанционного обучения на новый уровень. Сокращаются временные и трудозатраты на изучение материала, так как пользователь сам выбирает то, что ему нужно изучить. Заинтересованность пользователей растет и как следствие их количество увеличивается. Так, онтологическое представление предметной области «Прикладная оптика» по приведенной модели было успешно апробировано при составлении одноименного учебного пособия, получившего высокую оценку профессионального сообщества.

Онтологическое представление предметной области позволяет на совершенно ином уровне подойти к автоматизированному созданию комплексных образовательных ресурсов нового поколения. Этот подход позволил создать серию алгоритмов мультимедийных сборников образовательных ресурсов по оптике, примеры которых рассмотрены в работах Чирцова A.C. Онтологическое ядро специальных программ-конструкторов позволило автоматически сгенерировать набор компьютерных демонстраций по следующим концептуальным ветвям: «Основные законы геометрической оптики», «Центрированные оптические системы», «Принцип Ферма», «Оптические приборы», «Аберрации», «Поверхности второго порядка», «Световоды», «Оптические резонаторы», «Оптические иллюзии», «Оптические явления в атмосфере».

Предназначенная для моделирования оптических систем в рамках приближения геометрической оптики базовая версия программы «Оптический конструктор» за счет онтологической структуры оказалась существенно отличной от ее многочисленных аналогов — Java-апплетов, представляющих возможность визуализации хода лучей в простейших оптических системах. Онтологический вариант программы позволяет обучаемому самостоятельно конструировать трехмерные системы из оптических элементов, представляющих собой комбинации произвольных отражающих и преломляющих поверхностей второго порядка, оптически однородных промежутков и сред с переменным показателем преломления.

Эти возможности обеспечивают перекрестные связи с такими концептами онтологии как совокупности оптических сред, постоянные или изменяющиеся показатели преломления, характеристики оптических поверхностей, разделяющих такие среды. На поверхностях возможен учет эффектов отражения, поглощения и преломления света. При расчетах прохождения оптических пучков через оптические поверхности использовались формулы из онтологической области «Законы и зависимости»: формулы Френеля для амплитудных и энергетических коэффициентов отражения (г и Ю и пропускания (/ и Т) света, поляризованного в плоскости падения и в перпендикулярном плоскости падения направлении.

Новая онтологическая идеология, требующая незначительных изменений в организации иерархий классов программ-конструкторов, была сформирована, развита и апробирована в ходе разработки программы по лучевой оптике. Полная иерархия классов была разбита на две подсистемы концептов. Первая содержит общие для всех программ-конструкторов семейства концептов, обеспечивающих работу программных модулей из семейств, реализующих описание более конкретизированных физических свойств модели и составляющих ее элементов. В случае решения задач о распространении света в неоднородных средах с непрерывно изменяющимся показателем преломления была задействована связь с концептуальным модулем «уравнение Эйконала», в результате чего траектории лучей определялись по численному решению равенства

где п = п{г) — переменный показатель преломления неоднородной среды, е3 — единичный вектор, направленный по касательной к лучу, 1 — расстояние, отсчитываемое вдоль траектории распространения луча. Переход к генерации версии «Лучепостроителя» для наиболее подготовленных пользователей был реализован в рамках идеи объединения нескольких независимых онтологии в единый пакет. При этом оказалась возможной работа сразу с несколькими моделями и ориентированная на перспективу организация сетевого взаимодействия между пользователями.

К семействам специфических для оптического конструктора концептов относятся оптические поверхности, оптические среды, оптические детали, источники света, лучи и пуски лучей, приборы и средства для анализа результатов моделирования оптической системы. Физические и геометрические свойства оптических поверхностей задаются с помощью двух подсемейств классов. Одно служит для описания геометрических свойств поверхностей и обеспечивает решение задач нахождения точек падения на них лучей, углов падения в этих точках, углов отражения и преломления. Другое подсемейство содержит классы, обеспечивающие преобразования оптических свойств лучей поверхносгью (интенсивности, фазы и т.д.). Последнее обеспечивается в результате обрыва луча на поверхности и генерацией лучей еле,дующего поколения (отраженного и преломленного), свойства которого передаются методами классов второго из подсемейств. Было проведено исследование возможности применения моделей и принципов предметных онтологии для усиления междисциплинарной направленности образовательного процесса. В качестве апробационной тематики был выбран курс «Оптика и искусство», соединяющий базовые оптические знания с вопросами

Рисунок 2 — Онтология «Прикладная оптика» с

визуализацией основных «горизонтальных» связей

архитектуры, скульптуры, живописи и театра. Соединение трех концептуальных узлов (наук, искусств и технологий) представляется практически оптимальным для формирования междисциплинарных образовательных проектов. Процесс передачи знаний, происходящий в этой схеме и по и против часовой стрелки, динамически связывает все три вершины. В информационном потоке легко прослеживаются следующие преемственности: технологические новации открывают новые возможности для мастеров искусств, произведения мастеров становятся источником вдохновения для ученых, а научные открытия со временем становятся технологиями. Противоположный поток иллюстрирует, во-первых, роль инженерных решений в критических научных экспериментах, во-вторых, порождение оригинальных художественных образов под влиянием новых научных концепций и, в-третьих, эстетическую основу лучших конструкторских разработок. Центральная позиция, занимаемая в этой схеме образовательным пространством, позволяет предложить новую концепцию построения междисциплинарных курсов, основанную на онтологически едином представлении всех трех компонент (научной, технологической и медийной). Наличие в онтологиях максимального числа типологически различных связей между объектами-концептами без труда обеспечивает единство этой схемы как центрального звена междисциплинарного образовательного проекта. Онтологически построенная междисциплинарность позволяет использовать множество идей и подходов, присущих различным наукам и искусствам, но не образует при этом из них хаоса, а напротив — рождает качественно новое знание. В этом случае под междисциплинарностью можно понимать современный способ взаимодействия между науками, искусствами и технологиями в процессе онтологического познания окружающей нас действительности.

В онтологически построенном междисциплинарном курсе «Оптика и искусство: театральная проекция» доминантой является связь между оптической наукой и визуально-театральными технологиями. Онтологическая структура курса, верхние уровни которой представлены на рисунке 3 была доступна обучающимся на портале дистанционного обучения. Здесь, как обычно, невозможно показать все множество «горизонтальных» связей между одноуровневыми концептами, хотя именно они позволяют соединить столь разнородные области знаний в единое целое. Результатом обучения стало многократное усложнение и обогащение созданной преподавателем онтологии за счет содержательных элементов (текстов, иллюстраций, видеофрагментов, мультимедийных вставок и т.п.), найденных за счет активностей и самостоятельных изысканий студентов. Создавался настоящий синергетический эффект в умах будущих мастеров театрального искусства и в полуавтоматическом режиме решались две важнейшие образовательные задачи: повышение индивидуальной мотивации и усиление технологично оптимизированных связей между разнородными предметными областями.

(цмгевус дкжрамт и ЦМТ*>

спектр т^Гябвоо юлучснгёГ)--; (Почстт Гаге -та» злобил Ньютона]—'

Рисунок 3 — Структура верхних уровней онтологии междисциплинарного курса «Оптика и искусство: театральная проекция»

В заключительной части второй главы представлены результаты применения методов инженерии званий к анализу современных тенденций в науке и образовании (на примере все той же предметной области «оптика и фотоника»). Анализ проводился на основе открытых данных о структурах трех европейских научно-технологических платформ — «Фотоника», «Фотовольтаика» и «Наноматериалы», сопрягаемых с данными о структурах европейского университетского образования по соответствующим направлениям подготовки за последнее десятилетие. В исследование были включены более ста компаний и 122 высших учебных заведения из 21 европейской страны. В диссертации представлена автоматически сгенерированная итоговая геоинформационная компонента составленной базы знаний с ее динамической привязкой к хронологической цепочке. Были получены объективные данные о трендах в этой предметной области, например, о нарастающем доминировании

телекоммуникационной и оптоинформационной компонент. Подобные тенденции проявляются не только в появлении новых концептуальных узлов в структуре онтологии, но и в кратно увеличивающемся числе порождаемых связей между старыми и новыми узлами онтологии. Посредством комплексных запросов были составлены отвечающие современному уровню развития ассоциативные карты (пример — на рисунке 4) с цветовой дифференциацией, отражающей изменения содержательного наполнения традиционных концептов.

Рисунок 4 — Фрагмент ассоциативной карты «Современные направления исследований в области фотоники и оптоинформатики»

Темно-серым цветом на ассоциативной карте выделены крупные классические и инновационные направления, которые сейчас развиваются максимально динамично и наиболее часто встречаются при анализе тематики техплатформ и образовательных программ. Светло-серым цветом выделялись концепты, содержащие на следующем уровне наибольшее число подчиненных узлов и горизонтальных связей. Оба этих множества оказываются почти идентичными даже при рассмотрении онтологических структур по нескольким независимым критериям.

С использованием предложенных методик для европейского образования были выявлены частные дивергентные тенденции изменения концептуальных узлов предметной онтологии за последние 10 лет, а, с другой стороны, автоматически определились конвергентные тренды для трех технологических платформ, демонстрирующие единство конечных концептов в формате конкретных научно-технических приложений.

Третья глава диссертации посвящена вопросам построения онтологических экспертных систем (ОЭС) как ядра системы управления вариативным дистанционным обучением. В первой части развивается подход к созданию ОЭС как к виду информационных семантических систем. Выделены этапы ее разработки и формы представления семантической информации. Особое внимание уделено мультимедийным М-формам, определяемым через операцию прямого произведения множеств: однородных

где: I — текстовая форма (ьформа) представления; Б — аудиальная (речь, звуки) форма (Б-форма); g — визуальная (жесты, пластика и т.д.) форма (Е~форма); С — изобразительная, графическая форма (С-форма),

бинарных

и тройных

*#,={(/, г,/),(/,г),(Г, Я, о,...}.

Использование ОЭС позволяет автоматически удовлетворить принцип онтологической топологии, сформулированный для информационных

семантических систем ранее. Рассмотрены варианты создания онтологической модели с упрощенной структурой путем исключения влияния посредствующих концептов на оригинал и отображающий концепт или устранением влияния отображающего концепта на оригинал. В то же время для осуществления индивидуальных образовательных траекторий обучаемых требуется выявление существенных связей между концептами, имеющими пересекающие дидактические поля (тезаурусы):

V SO, (SO, G JSS) {7}-, T, ф 0 ->• SO, Inf SO,},

где: T, тезаурусы SO,\ Inf знак информирования. Если условие в левой части предиката не выполняется, т.е. имеет место соотношение Т, -i Т, = О, то передача информации невозможна. Графическая интерпретация возможных случаев возможностей осуществления индивидуальной траектории представлена в виде диаграмм Вена.

Вторая часть главы посвящена механизму корректировки структуры онтологической экспертной системы на основе детального сравнения с элементами компетентностной модели выпускника. В рамках диссертационного исследования был проанализирован ФГОС третьего поколения по направлению подготовки 200400 Оптотехника для квалификации (степени) «бакалавр». В нем были выделены профессиональные компетенции в научно-исследовательской, проектной и производственно-технологической деятельности. Собранные на их основе междисциплинарные компетенции были спроецированы в терминах знаний, умений и навыков на концептуальные ветви соответствующей предметной онтологии. Автоматически выявляются неполнота составленной экспертами базы знаний с одной стороны, и отставание структуры ФГОС от требований развивающейся отрасли с другой стороны. Это оказывается справедливым для всех форм профессионального обучения, специфика дистанционного обучения начинает проявляться, с первую очередь, в технологиях контроля знаний и предоставлении индивидуальной траектории овладения компетенциями.

Для уменьшения трудозатрат, минимизации времени разработки, а также повышения точности педагогических измерений была применена новая технология создания тестовых заданий, в основе которой лежат понятия шаблона и обратной связи. Шаблон определяет класс тестовых заданий, а каждое конкретное задание является экземпляром этого класса. Класс в виде логической конструкции формируется на концептах онтологии, и создает новый тип данных. После определения новый тип можно использовать для инициализации объектов этого типа, т.е. экземпляров данного класса. Построение шаблонов происходит с использованием переменных, которыми можно заменять элементы всех структурных единиц тестового задания. Механизм реализации шаблонов можно проиллюстрировать алгоритмом, представленным на рисунке 5. На первом этапе происходит объявление и инициализация переменных, каждая из которых должна обладать уникальным идентификатором, связанным с концептуальным узлом онтологии. На этапе формирования задания следуя за топологией онтологического графа происходит добавление переменных к структурным единицам теста. На этапе предварительной обработки ответа, полученного от испытуемого, происходит семантический разбор ответа пользователя. Этап анализа ответа включает в себя проверку определенных условий. В зависимости от условия происходит изменение

значений переменных, после чего возможен либо выход из тест-кадра, либо переход на этап формирования нового задания (обратная связь). Для большей наглядности иерархии онтологических концептов было разработано представление DOM (Document Object Model) XML-описания шаблонов, подробное описание фрагментов (переменных, атрибутов, элементов) которого представлены в диссертационной

ответа. Блок-схема семантического анализатора ответа обучаемого

. Обеспечение индивидуальных траекторий в рамках дистанционного обучения напрямую связана с разработкой рекомендательных сервисов для самостоятельной работы студентов. Онтологический подход оказался эффективным для реализации основных принципов открытого образования, среди которых фигурирует альтернативный механизм традиционного получения знаний. Основная задача приведенного подхода состоит в адаптации и персонализации обучения под нужды студентов. Исходными данными являлись активности пользователя: не только учебная деятельность, но и действия, имеющие косвенное отношение к учебе, например, поисковые запросы и сообщения на форумах. Фиксировались данные со всех видов учебных средств: статических, интерактивных, социальных. Основные виды активности, использующиеся в модуле: клики мышью на элементах курса; поисковые запросы в пределах курса; сообщения на форумах; неверные ответы в обучающих тестах и опросах; неверно выполненные практические задания. При взаимодействии с тем или иным концептом базы знаний пользователь указывает,

что этот элемент имеет для него значение. Если взаимодействие с элементом курса происходит более чем один раз, то только в этом случае можно предположить, что именно этот элемент имеет для пользователя какую-то ценность. Из этого следует, что мерой ценности концепта (или его связей) будет являться вес, который получается из количественного взаимодействия пользователя с элементом курса. Результатом работы модуля является набор учебных материалов, сформированный на основе профиля пользователя, в котором содержится информация об его активности.

Согласно типу источника информации каждой активности устанавливаются веса. Вес источника записан в конфигурационном файле системы, к которому преподаватель курса имеет доступ. Далее весь текст разбивается на слова. И каждому слову устанавливается вес согласно формуле:

Т= zt=1Kt,

где Т — вес слова, i — количество вхождений слова, К — вес пункта. Далее все слова нормируются по единице. Все слова записываются в профиль пользователя, представляет собой, структурированный согласно стандарту APML, XML-файл. Составляется так называемый профиль пользователя, который содержит такую информацию, как: тип активности пользователя; тело активности (предложение) с весами; ключевые слова с весами; идентификационные номера учебных материалов из профиля учебных материалов. Помимо активности пользователя входными данными модуля являются учебные материалы курса (концепты онтологии). Формирует список учебных материалов и создает из них профиль учебных материалов, который является XML-файлом. Профиль учебных материалов содержит такую информацию, как: идентификационный номер концепта; его наименование; название курса; тип учебного материала; набор ключевых слов; перечень существенных связей. Описанный алгоритм был успешно реализован на языке PHP для системы управления обучением Moodle и апробирован на группе beta-тестеров.

Для получения рекомендаций пользователю необходимо создать свой профиль предпочтений в рекомендательной системе путем оценки ряда объектов. В дальнейшем система сравнивает однотипные данные в профилях пользователей и автоматически предоставляет набор потенциально интересных ресурсов для каждого участника сети (рисунок 6). В работе предложен алгоритм рекомендаций, основанный на сравнении профилей пользователей рекомендательных систем с помощью Фурье-анализа. В общем случае профиль предпочтений пользователя можно представить в виде изображения, которое формируется на основе интегральных пользовательских оценок объектов, соответствующих определенным интересам. Графически профиль пользователя можно представить следующим образом (рисунок 7). Лучи Lb L^, ..., Ln обозначают однозначно определенные интересы пользователя, а M(L|), M(L2), ..., M(Ln) — интегральные оценки всех объектов, относящихся к определенному интересу. Данное изображение может быть описано некоторой функцией g. Аналогичным образом можно описать профиль другого пользователя — обозначим его как h. Для сравнения и выявления степени похожести профилей целесообразно воспользоваться прямым и обратным преобразованием Фурье.

Пользователь 2

1Г

>ЧКИ !

Г

1 —тле-\ Пользователь 2 Пользователь 1

| Объект 1 | } Объект 1 )

) Объект 2 | | Объект 2 |

| Объектп | | Объект т, \

Г~5 | ~ N | Госфмипрвдпсчтвй I V™

Количество объектов

Пользователь 1 Пользователь 2

| Объект 1 | | Объект 1 |

| Объект 2 I ] Объект 2 |

| Объект т | ) Объект гн |

Рисунок 6 — Определение рекомендательного сервиса у

Рисунок 7 — Пример построения профиля индивидуального пользователя

На основе степени похожести профилей предпочтений целесообразно предоставить каждому конкретному пользователю определенный набор рекомендательных групп. Группа, члены которой имеют наиболее схожие профили предпочтений с профилем конкретного пользователя, будет являться первоочередной при формировании рекомендаций. Группа экспертов, чьи рекомендации будут учитываться во вторую очередь, будет отличаться меньшей степенью похожести профилей участников на профиль конкретного пользователя. Соответственно, при переходе к группе экспертов, степень похожести профилей предпочтений которых будет наименьшей по сравнению с другими рекомендательными группами, значимость предоставляемых рекомендаций также будет наименьшей. При составлении списка рекомендаций учитывается значимость каждой рекомендации на основании того, от участника какой группы экспертов она получена — от более значимой к менее значимой. В заключении главы описанная

технология была применена к анализу статистически обработанного «коллективного профиля». Материалом для такой апробации послужили результаты работы по формированию информационной системы повышения квалификации и стажировок научно-педагогических работников, аспирантов и докторантов Университета ИТМО.

В четвертой главе изложены вопросы взаимодействия систем управления ДО и социальных сетей. Приведены результаты опросов аудитории «Вконтакте», касающихся предпочтений и мотиваций сетевого общения с преподавателями, участия в дистанционных курсах и их результативности. Был проведен сравнительный анализ ответов обучающихся в Университете ИТМО с открытыми данными мировой и российской статистики. Анализ показал существенную динамику роста интереса к МООС-курсам (Massive Open Online Courses), которая требует реализации той самой многомерной обратной связи, которая подразумевается в построении предметной базы знаний. Организация взаимодействия большого количества участников учебного процесса обеспечивается включением сервисов социальных сетей. А полная автоматизация процедур оценивания результатов обучения и использование многоканальных (мультимедийных) методов передачи знаний обеспечивает мотивирующие свойства. Все это предполагает использование сочетаний онтологического ядра системы, интерактивных технологических платформ и социальных активностей.

Далее приведены данные по сравнению нескольких основных социальных сетей на предмет сопряжения их сервисов с системами ДО по следующим параметрам: механизм регистрации и защиты данных, формирование групп пользователей, технологии размещения мультимедийных файлов и приложений, варианты взаимодействия обучающихся пользователей с преподавателем. В заключение изложены результаты апробаций авторских МООС-курсов, построенных с использованием онтологического подхода. Приведены примеры таблиц связей, составляемых для формирования онтологического ядра курса, структуры самих онтологий и алгоритмические особенности мультимедийных сборников образовательных интернет-ресурсов. Показано, что использование последних позволяет обеспечить требуемую вариативность учебного курса в формате МООС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Доказано, что предметные онтологии как структурные основы баз знаний позволяют реализовать принципы массового вариативного обучения и способны обеспечивать индивидуальные образовательные траектории. Использование специальных программ — интеллектуальных агентов позволяет построить системы оценки уровня освоения материала, которые будут основаны на семантическом поиске, оптимальной визуализации онтологии и интерактивном диалоге.

Сравнительный анализ современных систем управления дистанционным обучением показал возможность и перспективность разработки алгоритмов их интеграции с социальными сетями. Предпочтения активных пользователей социальных сетей, зарегистрированных в тех или иных системах дистанционного обучения, оказались на стороне МООС-ресурсов, обеспечивающих нелинейное обучение. Онтологический подход оказался полезным не только для

структурирования предметного содержания изучаемых дисциплин, но и для формирования индивидуальных планов преподавателей и рабочих программ. Объединение двух этих задач естественным образом порождало своеобразное сетевое сообщество из педагогов и учеников.

Формирование предметных онтологий с пятью-шестью уровнями структуры концептов позволяет на основе комплексных запросов к базе знаний в первом приближении построить индивидуальные образовательные траектории, сочетающие в себе ретроспективный анализ, геоинформационную компоненту, внутри- и междисциплинарные связи. Показано, что онтологическая экспертная система управления дистанционным обучением, являясь подмножеством информационных семантических систем, подчиняется основным принципам их топологии, целеполагания, коммуникационной и логической интерпретации.

В ходе исследования был найден и апробирован метод автоматической верификации создаваемых предметных онтологий на основе семантического анализа редуцированной структуры концептов совместно с компетентностной моделью обучаемого. Апробация выводов и результатов настоящей работы велась в нескольких направлениях. Во-первых, с использованием предметной базы знаний по оптике были разработаны мультимедийные сборники образовательных ресурсов. Во-вторых, была проведена корректировка основных и дополнительных образовательных программ по оптике и фотонике с использованием динамически изменяемых онтологий. Были решены две частные задачи построения систем управления дистанционным обучением с ядром в виде ОЭС: автоматическая поэтапная генерация шаблонов тестовых заданий на основе DOM-представлений и XML-описаний, а также механизм автоматического выбора рекомендательных сервисов для самостоятельной работы студента с учетом его индивидуального профиля. Дальнейшие перспективы работы, лежат в плоскости расширенной апробации развитых подходов на другие предметные области, применения более совершенных визуализаторов онтологических структур и в интеграции МООС-подобных дистанционных курсов с сервисами социальных сетей.

НАУЧНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные работы в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ольшевская A.B. Механизм реализации шаблонов тестовых заданий в системе AcademicNT// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2008. — № 46.

— С. 152-162. — п.л. 0,7/0,7

2. Боярский К,К,, Катков Ю.В., Муромцев Д.И., Ольшевская A.B., Стафеев С.К., Яговкин В.И, Комплексная визуализация предметной онтологии на основе взаимосвязанных конструкций // Компьютерные инструменты в образовании.

— 2011 • — № 5. — С. 38-45. — п.л. 0,4/0,1

3. Ольшевская A.B., Стафеев С.К., Яговкин В.И. Разработка интерактивного тренажерного комплекса на основе экспертной системы // Компьютерные инструменты в образовании. — 2011. —№6. — С. 38-45. — п.л. 0,4/0,15

4. Васильев В.Н., Лисицына Л.С., Ольшевская A.B., Стафеев С.К. От традиционного дистанционного обучения к массовым открытым онлайн-курсам // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2014. — № 1 (89). — С. 199-205. — пл. 0,3/0,1

5. Жогина В.А., Денисова Е.А., Лившиц И.Л., Маркина Г.Л., Ольшевская A.B., Стафеев С.К., Урбах П. Фотоника и оптоинформатика в Европе: тренды 20032013 // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2014. — № 4 (92). — С. 1-11. — п.л. 0,7/0,15

Другие научные работы:

6. Лямин A.B., Ольшевская A.B. Шаблоны тестовых заданий и их представление в системе AcademicNT // Труды XV Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2008. — 2008. — С. 481-482. — п.л. 0,12/0,06

7. Николаев Д.Г., Ольшевская A.B. Сравнительный анализ возможностей социальных сетей для применения в образовательном процессе // Сборник трудов VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. — 2009. — С. 273-279. — п.л. 0,35/0,2

8. Кузнецова И.В., Николаев Д.Г., Ольшевская A.B., Пиленко Д.Н., Силич Н.Г., Штенников Д.Г. Использование возможностей социальных сетей для организации процесса дистанционного обучения // Труды XVI Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2009. — 2009. — С. 192-193.

— п.л. 0,1/0,02

9. Кузнецова И.В., Николаев Д.Г., Ольшевская A.B., Пиленко Д.Н., Силич Н.Г., Штенников Д.Г. Алгоритмы рекомендаций, основанные на фурье-анализе профилей пользователей // Труды XVI Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2009. — 2009. — С. 187-190. — пл. 0,3/0,08

Ю.Кузнецова И.В., Николаев Д.Г., Ольшевская A.B., Пиленко Д.Н., Силич Н.Г., Штенников Д.Г. Использование рекомендательных сервисов для самостоятельной работы студентов в рамках дистанционного обучения, проводимого на LMS Moodle // Труды XVI Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2009. — 2009. — С. 185-186. — пл. 0,12/0,04

П.Ольшевская A.B. Социальная сеть, как среда для проведения дистанционного обучения, на примере использования VKONTAKTE, FACEBOOK, MYSPACE // Труды Третьего Санкт-Петербургского конгресса «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке». — 2009. — С. 175-177. — пл. 0,12/0,12

12.Николаев Д.Г., Ольшевская A.B., Штенников Д.Г. Современные технологии компьютерной верстки / Учебное пособие. — СПб: СПбГУ ИТМО. — 2010.

— С. 132. —пл. 8,25/2,75

13.Куркин A.B., Ольшевская A.B. Формирование концепции информационной системы повышения квалификации и стажировок научно-педагогических работников, аспирантов и докторантов // Труды VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. — 2010. — С. 121-122. — п.л. 0,12/0,06

Н.Ольшевская A.B. Перспективные направления формирования учебного процесса на базе предметной онтологии и компетентностной модели, представленной в ФГОС третьего поколения // Труды VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. — 2011. — С. 38. — п.л. 0,1/0,1 15.0лыиевская A.B. Прототип онтологии по оптике в исторической ретроспективе // Сборник трудов I Всероссийского конгресса молодых ученых.— 2012, —С. 22-24, —п.л. 0,12/0,12 16.Денисова Е.А., Жогина В.А., Ольшевская A.B., Стафеев С.К. Тренды современного технического образования: эволюция содержания и революция форм // Сборник трудов III Всероссийского конгресса молодых ученых. — 2014. — С. 9-11. — п.л. 0,12/0,04 17.0льшевская A.B., Стафеев С.К. Междисциплинарные образовательные проекты на стыке науки и искусства: опыт разработки и первые результаты // Инженерное образование. — 2014. — № 14. ■— С. 48-53. — п.л. 0,3/0,2

18.Денисова Е.А., Жогина В.А., Ольшевская A.B., Сомов Я.М., Стафеев С.К., Чирцов A.C. МООС — эффективное применение привычных компонентов образовательного процесса // Труды XXI Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2014.—2014. — С. 79. —п.л. 0,1/0,02

19.Васильев В.Н., Жогина В.А., Денисова Е.А., Ольшевская A.B., Стафеев С.К., Чепуров A.A. Опыт реализации междисциплинарного курса «Оптика и искусство. Театральная проекция» // Труды XXI Всероссийской научно-методической конференции Телематика'2014. — 2014. — С. 245-246. — п.л. 0,12/0,04

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14

Тел. (812) 233 46 69.

Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.