НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Введение.

В истории человеческой цивилизации, которая связана с технологиями и системами накопления и распространения знаний, выделяются три ключевых достижения.

 Первое – появление письменности. Историки считают, что основы буквенно-звукового письма были заложены в финикийской письменности  во втором тысячелетии до н.э.

Второе достижение – открытие книгопечатания, связываемое с именем  Би Шэна (Китай), жившего в 11-м веке. В Европе пионером книгопечатания был И.Гутенберг (Германия, 15-й век), а в России И.Федоров  (16-й век).

Третье достижение – разворачивающееся на наших глазах  становление Интернета и Вэб-технологий и связанное с ними появление понятия   электронных образовательных ресурсов (ЭОР). Обсуждаются  вопросы, какое место должны занимать электронные учебники и пособия в учебном процессе, каково их влияние на качество обучения и квалификацию специалистов, выпускаемых учебным заведением, по каким путям должно идти совершенствование технологии создания ЭОР.

Данная статья посвящена одной из перспективных технологий создания и применения электронных учебников и пособий – технологии разделяемых единиц контента (ТРЕК). Поскольку настоящее тесно связано и вытекает из прошлого, в первой части статьи  охарактеризовано состояние проблемы и кратко отмечены некоторые исторические события в области ЭОР.  Вторая часть посвящена описанию реализации ТРЕК в системе «База и Генератор Образовательных Ресурсов» (БиГОР).

История и состояние проблемы электронных образовательных ресурсов.

 Развитие  Интернет кардинально меняет коммуникационные возможности людей. Но наиболее существенно воздействие глобальной сети на интеллектуальные сферы человеческой деятельности, на технологии  накопления и распространения знаний, на создание и использование образовательных ресурсов. Несмотря на революционный характер воздействия Интернета на эти сферы, изменения происходят не одномоментно, они выливаются в цепочку событий, выражающихся в получении новых   научно-технических результатов  на актуальных направлениях развития информационных технологий.

В этой цепочке прежде всего нужно отметить появление в начале 60-х годов прошлого века самой идеи глобальной сети знаний ("Галактической сети") и интерактивных компьютерных вычислений, выраженной Д.Ликлайдером - разработчиком сети Arpanet, являющейся прообразом Интернет.  Следующий грандиозный, но также неосуществленный проект глобальной гипертекстовой базы письменных документов Xanadu был предложен в 1981 г. Т.Нельсоном.

Подобные проекты приобрели реальную почву после изобретения Т.Бернерсом-Ли Вэба - "всемирной паутины" World Wide Web.   В конце 80-х годов им разработаны язык разметки HTML, сетевой протокол передачи гипертекстовых данных HTTP и первый WWW-браузер.

Гипертекстовые языки разметки оказались одним из краеугольных камней в фундаменте Вэб-технологий и современных ЭОР.  Известно, что термин “гипертекст” был впервые предложен Т. Нельсоном  в 1965 г., а первые работающие гипертекстовые системы создали в 1967 г. Энди Ван Дам   и в 1968 г. -   Д. Энгельбарт.  Однако первые признаки гипертекста можно найти еще в работах В. Буша.  В современных Вэб-технологиях наряду с HTML широко используют разработанный  в 1996 г. язык разметки XML и его разновидности, этот язык стал основным форматом при обменах данными также и в автоматизированных системах обучения.

Компьютерные технологии развития, накопления и распространения знаний, включая технологии создания ЭОР,  естественным образом связаны с состоянием проблем искусственного интеллекта. Впервые идею создания искусственного разума, подобного человеческому мозгу, высказал  еще в XIV веке Р.Луллий, а Г.Лейбниц   и Р.Декарт   в   XVIII веке   продолжили попытки создания искусственного интеллекта на основе классификации понятий всех наук. Интенсивное развитие интеллектуальных систем началось в компьютерную эру. Для     автоматизированных систем  обучения (АОС) особо важное значение имеют такие направления  интеллектуализации, как автоматическое распознавание семантики текста и речи, извлечение и структуризация знаний, создание баз образовательных ресурсов, поиск нужной информации в хранилищах большого объема.         

 Потребности интерактивного взаимодействия пользователя с АОС прежде всего проявились в процедурах тестирования знаний учащихся. Способы тестирования, заключающиеся в выборе одного из пунктов заранее подготовленного списка или требующие однозначного ответа, не позволяют в должной мере ни проверить фактические знания обучаемого, ни определить его способности к творческому мышлению. Для реализации интеллектуальных способов тестирования необходимо, как минимум,  распознавание компьютером фраз естественного языка или некоторого его подмножества.   Попытки создания таких подмножеств предпринимались неоднократно. Трудности здесь не в распознавании голоса, а в определении смысла фраз, состоящих из воспринятых слов. И хотя результаты формального распознавания семантики речи пока  довольно скромные,  прогресс информационных технологий   позволяет надеяться на превращение компьютера в недалеком будущем в интеллектуального собеседника, разумно реагирующего на запросы обучаемого.    

Для структуризации знаний и поиска нужных сведений разрабатываются классификационные системы и способы представления знаний  в виде семантических сетей. Известно, насколько важную роль в естествознании сыграла первая  научная классификация  К.Линнея (1735 г.). Переход от иерархических систем классификации (таксономий) к системам со сложными типами отношений произошел при использовании семантических сетей и онтологий. Начала семантических сетей можно найти в работах Ч.Пирса (1909 г), а  компьютерные семантические сети разрабатывались Р. Риченсом в 1956 г.  Сегодня онтологии и представляющие их семантические сети получают все более широкое распространение в различных приложениях. Так, в рамках Вэб-технологий получила развитие концепция семантического Вэба вместе с используемыми в нем языками онтологий OWL, OIL, DAML. 

Семантический Вэб развивается, главным образом, для целей повышения эффективности поиска нужной информации, что особенно важно в масштабах глобальной сети. Первая в Интернете поисковая система  Aliweb была запущена в 1993 г.,    но уже в следующем году появилась Yahoo!, которая наряду с такими системами, как     Google, Rambler, Yandex, характеризует сегодняшнее состояние поисковых систем. Поиск ведется, как правило, по ключевым словам.  Применение интеллектуальных методов поиска может существенно повысить его эффективность.

Созданием  баз образовательных ресурсов занимаются многие преподавательские коллективы в университетах разных стран. При этом актуальной проблемой становится     интеграция баз ЭОР, которая решается на путях   унификации и стандартизации интерфейсов, форм представления ЭОР, их метаданных. Стандартизацией в области информатизации образования занимается ряд международных и национальных организаций, среди которых, в первую очередь, следует назвать Образовательный консорциум по проблемам   систем  управления обучением IMS GLC (Instructional Management Systems Global Learning Consortium); Комитет стандартизации в области технологий обучения LTSC, созданный в Институте электротехники и электроники  IEEE   (Learning Technology Standards Committee in Institute of Electrical and Electronic Engineers);  Комитет по компьютерному обучению в авиации AICC  (Airline Industry Computer Based Training Committee); организацию «Продвинутое распределенное обучение» ADL (Advanced Distributed Learning Initiative),   основанную департаментом политики в области науки и технологий в администрации президента США   и министерством обороны США.  

Среди стандартов,   разработанных в IMS,  имеются документы,   посвященные моделям    обучаемых,  тестированию знаний, компоновке  содержания учебников и учебных пособий   и т.п. Важную роль играет   стандарт   SCORM (Shareable Content Object Reference Model) [1], разработанный в ADL, на его основе   создаются учебные пособия из отдельных элементов – разделяемых единиц контента. Стандартизации метаданных посвящены такие документы, как «Дублинское ядро»,    LOM  (Learning Object Metadata) и др. 

Большинство учебных заведений, занимаясь платным обучением, предоставляет только платный доступ к своим ЭОР. Однако закрытость баз ЭОР не способствует развитию открытого образования, мешает созданию интегрированных информационно-образовательных сред. Поэтому в последнее время увеличивается число сторонников открытого доступа к базам ЭОР. С целью интеграции ЭОР и открытости доступа к ним по инициативе ЮНЕСКО создан международный консорциум OCW - Open Coursе Ware [2], объединяющий более 100 университетов   из 18 стран, в том числе из Австралии, США, Канады, Франции и др. Члены   сообщества   предоставляют открытый доступ к своим ЭОР в Интернете.   Другой пример реализации открытого доступа   к образовательным ресурсам - система OER (Open Educational Resources Commons),  в которой уже сосредоточено  несколько тысяч ЭОР [3].  В России идея интеграции ресурсов и открытого доступа к ним   развивается в виде системы образовательных порталов [4], примерами которых являются   «Российское образование», естественно-научный портал, «Экономика, социология, менеджмент», «Инженерное образование  и др.

Параллельно с этими инициативами   в  Университете ООН создается глобальный виртуальный университет. В феврале 2008 г. объявлено о запуске в  этом университете  портала открытого учебного обеспечения (в рамках OpenCourseWare), на котором можно будет получать доступ  к ряду образовательных курсов. Курсы рассчитаны на   использование преподавателями при подготовке учебных планов, студентами для пополнения своих знаний, индивидуальными лицами для   самообучения [5].

 Несмотря на достигнутые успехи в области интеграции  баз ЭОР,  поиска информации и ее визуализации при предъявлении пользователю, потенциальные возможности компьютерных технологий обучения далеко не исчерпаны. Во-многом это относится к инструментальным средам создания образовательных ресурсов, способных как адаптироваться к индивидуальным запросам обучаемых и целям обучения, так и оперативно отслеживать изменения, происходящие в быстроразвивающихся предметных областях. 

В истории разработки адаптивных обучающих систем также следует выделить несколько заметных вех.

Еще в начале 80-х годов в автоматизированных системах эксплуатации изделий сложной техники появились программно-методические комплексы, называемые интерактивными электронными техническими руководствами (ИЭТР) и предназначенные для   обучения обслуживающего персонала, проведения регламентных работ, диагностики неисправностей и т.п. Одно из требований к ИЭТР – минимальная переделка документации при переходе к выпуску новых моделей изделий аналогичного назначения, что существенно сокращает временные и финансовые затраты на логистическую поддержку.   Одно из условий выполнения этого требования – модульная структура документации с возможностью замены лишь некоторых модулей вместо разработки нового руководства при модернизациях изделия. Был разработан ряд стандартов, регламентирующих структуру ИЭТР, например, широко используемый AECMA S1000D.

Для целей образования концепция модульности и многократного использования модулей в разных изданиях была разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана [6,7] в  90-е годы и развита организацией ADL в модели распределенного обучения SCORM,   первая версия  которой  была представлена в 2000 г.    В SCORM  модуль,  иначе разделяемая единица контента, - единица учебного материала, имеющая метаданные и содержательную часть. Совокупность модулей определенной предметной области   есть библиотека знаний.  Модули   могут в различных сочетаниях объединяться друг с другом  в составе учебников и учебных пособий, для компиляции которых создается система управления модульным учебником (сервер управления контентом), наиболее часто используемое ее название - Learning Management System (LMS).

Другое направление создания модульных ЭОР  родилось в 2003 г. в недрах Википедии (Wikipedia)  и получило название Викиучебник [8]. Википедия — общедоступная, свободно распространяемая многоязычная сетевая энциклопедия, развиваемая в Internet с 2001 г.  Википедия  свободна от авторских ограничений, к ее созданию и пополнению открыт доступ широкому кругу авторов из разных стран. Любой пользователь имеет возможность внести изменения и дополнения в тексты опубликованных в энциклопедии статей.    Викиучебник — это учебник, представляющий собой  структурированный текст,  доступный для пополнения или корректировки зарегистрированными участниками викисообщества.    Каждый участник может создавать и изменять любую страницу любого учебника, и каждый может бесплатно читать, копировать, издавать и изменять его содержимое.

Мелкомодульная структура ЭОР – условие, необходимое для обеспечения  индивидуализации обучения, но, конечно, недостаточное. Для адаптации ЭОР к конкретным потребностям  и уровню предварительных знаний обучаемых  целесообразно использовать интеллектуализацию инструментальных сред создания ЭОР на базе онтологического подхода.

Первой обучающей системой, использующей в ЭОР онтологии предметных областей, стала система CTS, разработанная в МГТУ им. Н.Э.Баумана в 1993 г. [6]. В современном виде технология разделяемых единиц контента на основе онтологического подхода представлена в системе БиГОР [9].

База и Генератор Образовательных Ресурсов.

Система БиГОР является как обучающей системой, так и инструментальной средой разработки ЭОР. Она состоит из программной оболочки и базы учебных материалов (БУМ). В свою очередь, в иерархической структуре БУМ выделяются домены, ориентированные каждый на определенное направление подготовки специалистов (бакалавров, магистров). Домен делится на пакеты, относящиеся к определенным дисциплинам или крупным разделам дисциплин. Пакеты включают в себя множество основных и тестирующих модулей, онтологию предметной области и одно или более учебных пособий по дисциплине.

Модули – это разделяемые единицы контента,   размер модуля не ограничивается, но обычно он составляет от абзаца до нескольких страниц. Основные модули могут включать  текст, графические иллюстрации, ссылки на мультимедийные и анимационные фрагменты. Тестовые модули служат для самоконтроля усвоения обучаемыми материала пособия.

Онтология приложения представляется в виде множества элементов, каждый элемент содержит множество синонимов (синсет) некоторого понятия (концепта), краткое определение концепта и множество ссылок, отражающих отношения между концептами.

Пособия компилируются из модулей, причем в соответствии с ТРЕК каждый модуль может быть использован многократно, включен в несколько различных пособий. Эти пособия различаются своей направленностью на тот или иной контингент обучаемых, вплоть до  создания индивидуальных пособий для каждого члена учебной группы. Возможны междисциплинарные пособия, занимающие отдельное положение в БУМ.

С системой БиГОР работают три группы пользователей (рис. 1).

Сопровождением БУМ (или отдельных пакетов БУМ) занимается определенный преподавательский коллектив (назовем его модератором), который отвечает за подбор пользователей первой группы – авторов  онтологий и учебных модулей пакетов. Обычно это высококвалифицированные специалисты, их работа оценивается некоторой экспертной группой, создаваемой модератором.

Рис. 1

Вторую группу пользователей составляют практикующие преподаватели, работающие с конкретным контингентом обучаемых. Пользуясь компилирующей подсистемой БиГОР, они формируют ЭОР из элементов централизованной БУМ, хотя каждый преподаватель, получив систему БиГОР в свое распоряжение, может вести свою  локальную базу.  

Третья группа – собственно обучаемые, которым открыт доступ к БУМ через посредство обучающей и поисковой подсистем, а также к удаленному лабораторному оборудованию, включая  учебно-исследовательские лабораторные системы.    

Каковы роли ТРЕК и онтологий в процессе создания и использования ЭОР? 

С помощью ТРЕК  существенно упрощается и ускоряется синтез новых учебных пособий, так как значительная часть учебного материала  уже создана и находится в БУМ.  Нужно лишь выбрать и упорядочить нужные модули, а для этого и предназначена онтология приложения. Выбор осуществляет преподаватель в процессе навигации по семантической сети понятий, предъявляемой ему системой. При навигации пользователь может видеть все связи очередного концепта, просматривать относящиеся к нему фрагменты и принимать решение или о включении данного концепта и раскрывающего его модуля в пособие, или о его игнорировании. Система автоматически располагает отобранные модули в правильной логической последовательности, ориентируясь на известные системе отношения концептов и критерии, предварительно реализованные в БиГОР.  Созданию индивидуализированных ЭОР способствует как легкость формирования учебных пособий, так и наличие в БУМ альтернативных модулей разного уровня сложности изложения одного и того же вопроса.

 Модульная структура обусловливает легкость пополнения БУМ и поддержания ее в актуальном состоянии, отвечающем современным достижениям науки и техники.  При этом на основе онтологии осуществляется полуавтоматическое преобразование вновь введенных текстов в гипертекст,  благодаря тому, что система выделяет в качестве потенциальных гиперссылок все слова и словосочетания в тексте, являющиеся концептами.

Необходимость разработки онтологий предметных областей может вызвать определенные затруднения у некоторых авторов, однако именно преодоление таких затруднений способствует глубокому освоению предмета, и в итоге к систематизация знаний и созданию электронных энциклопедий по предметным областям (направлениям подготовки).

Заключение.

 Воздействие Интернета и Вэб-технологий на процессы и системы накопления и распространения знаний  проявляется в отношении  формы и содержания информации, представляемой с помощью электронных  документов.

Технический прогресс отразился прежде всего на форме представления данных.  Плотность хранения данных в электронных хранилищах уже сейчас на несколько порядков превышает плотность данных в традиционных книгах. Доступность электронных изданий, благодаря Интернету, можно охарактеризовать словами «глобальная доступность» или «неограниченный тираж». Если с помощью бумажных изданий передаются только статические данные (текст и рисунки) и только по зрительному каналу, то в обучении посредством ЭОР может быть задействована динамическая информация (видео и анимация), используются как  зрительный, так и по слуховой каналы.

Влияние информационных технологий на содержание информации пока еще не столь заметно. В условиях экспоненциального роста объема данных в мире вопросы эффективного поиска нужной информации и ее структуризации и на этой основе извлечения новых знаний можно будет решать, только привлекая интеллектуальные технологии, ростки которых мы видим уже сегодня, в частности, в семантическом Вэбе и технологии разделяемых единиц контента.  

В настоящее время электронные и бумажные ЭОР  взаимно дополняют друг друга. Книга предпочтительна для методически выверенного изложения стабильных знаний, а   электронное издание – для представления сведений о динамично развивающихся объектах и процессах при высокой степени вариативности требований к полноте и глубине изложения материала.

Следует ожидать существенного увеличения числа коллективов, занимающихся созданием и распространением ЭОР.  Соответственно будет расти актуальность проблемы объединения независимо созданных баз учебных материалов.

Например, развитием ЭОР в среде БиГОР занимаются уже несколько учебных заведений (кроме МГТУ им. Н.Э. Баумана, можно назвать МГИРЭА [10], Красноярский государственный технический университет [11]). Для интеграции баз ЭОР необходимо либо централизованно принять единые онтологии приложений, что проблематично, либо разработать методы и средства объединения независимо разработанных онтологий. Другая задача, актуальная в условиях существенного расширения баз  учебных материалов,  - поиск оптимальных траекторий обучения и соответственно состава модулей в компилируемых учебных пособиях. Ее решение из-за  большого размера поискового пространства  потребует применения формальных методов.

Поскольку доступность Интернета для разнообразных публикаций приводит к появлению в сети множества низкокачественных, а иногда и просто неверных материалов, предстоит  решить  проблему  обеспечения должного уровня качества ЭОР.

Список используемых источников

1.    SCORM. Shareable Content Object Reference Model. 2d Edition. - Advanced Distributed Learning, 2004.

2.    Open Coursе Ware  - http://www.ocwconsortium.org/

3.    Open Educational Resources Commons. - http://www.oercommons.org/.

4.    Российское образование. Федеральный портал -  http://www.edu.ru/db/portal/sites/portal_page.htm

5.    Университет ООН запускает портал открытого учебного обеспечения. - http://www.ifapcom.ru/ru/news/391

6.    Норенков Ю.И., Усков В.Л. Консультационно-обучающие системы // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана, сер. Приборостроение, 1993, вып. 3.

7.    Норенков И.П. Концепция модульного учебника // Информационные технологии, 1996, ╧ 2

8.    Викиучебник. - http://ru.wikibooks.org/wiki/

9.    Норенков И.П., Уваров М.Ю. База и генератор образовательных ресурсов //  Информационные технологии, 2005, ╧ 9

10.               Панченко В.М. Компьютерные технологии и системы обучения. Часть 2: Технология разделяемых единиц контента в системе программ единичных экспериментов. – М.: МГИРЭА, 2008.

11.               Доррер Г. А., Попов А. А., Рудакова Г. М., Сысенко К. В. Оптимальная группировка разделяемых единиц контента в учебные модули на базе системы БиГОР // Информационные технологии, 2008, ╧ 8.