Программные продукты и системы

В недалеком прошлом решения о компьютерном оснащении школ принимались централизованно в министерствах. При этом во все учебные заведения поставлялся стандартный комплекс, как правило, вычислительной техники, не нашедшей нигде применения, КОРВЕТ, ПОИСК, Электроника БК-0010, и, поэтому, слабо оснащенный программным обеспечением. Последствия такой политики в школьном образовании мы ощущаем и сейчас.

В настоящее время положение в сфере компьютеризации процессов школьного обучения существенно изменилось.

•  Во-первых, школы могут самостоятельно определять требования к характеристикам программно-аппаратных комплексов, планируемых к использованию в учебных процессах.

•  Во-вторых, школьное образование теперь — это не стандартное среднее. Возникли и продолжают появляться различные общие и специализированные лицеи, гимназии, колледжи. Государственные школы и учебные заведения негосударственного сектора разрабатывают собственные программы обучения.

•  В-третьих, эти учебные заведения имеют различные финансовые возможности по компьютеризации процессов обучения.

•  В-четвертых, уровень развития технологии создания аппаратных комплексов вычислительной техники настолько вырос, что уже давно унифицированы составляющие компоненты (модули) и машины, и вычислительные сети собирают как домики из кубиков. Элементная база значительно расширилась. Поэтому и число вариантов аппаратных комплексов различных функциональных возможностей существенно увеличилось.

•  В-пятых, постепенно образовывается рынок программных и аппаратных средств, в той или иной мере, ориентированный на потребности школьной информатики.

•  В-шестых, цены на рынке на различные комплектующие (модули) постоянно изменяются. Нужно четко определять тенденцию их изменения, чтобы не приобрести вычислительный комплекс, который завтра будет стоить намного дешевле.

В создавшихся условиях весьма актуальными являются исследования процессов выбора и компоновки программно-аппаратных комплексов, адекватных проблемной ориентации конкретных школьных заведений и их финансовым возможностям, разработка методов и методик их определения и проектирования и реализация соответствующих программно-информационных средств и технологии их практического использования.

Принципы разработки системы автоматизированного определения характеристик программно-аппаратных комплексов для школьных заведений

В основе предлагаемого подхода находится несколько принципов:

à                      создание каталога целей и программ обучения различным предметам (1);

à                 разработка структурно-параметрического И-ИЛИ-графа [1] элементной базы ПЭВМ, агрегатов, узлов, компонент аппаратных ком-иксов (2);

à                создание каталога программно-информационных обучающих средств (3);

à                построение взаимных отображений этих трех компонент и их анализ (4);

à                реализация автоматизированной системы поддержки операций всех четырех процессов и выбора адекватного целям обучения и финансовым возможностям школьного заведения, комплекса (5).

Таким образом, вполне очевидно, что система автоматизированного определения целесообразного программно-аппаратного комплекса для школьных заведений должна разрабатываться в форме комплексной экспертной системы (КЭС) [2].

В базах данных и знаний (БДиЗ) этой ЭС должен интегрироваться и взаимодействовать опыт квалифицированных специалистов:

— учителей-методистов и школьных преподавателей (1);

—  инженеров-электронщиков и конструкторов вычислительной техники (2);

—   программистов и системоаналитиков компьютерных обучающих систем (3).

Поэтому такая 'система названа комплексной.

Предметом экспертизы являются процессы:

à        анализа рынка программных и аппаратных компонент вычислительной техники;

à        анализа целей и программ обучения в школьных заведениях;

à        синтеза целесообразных программно-аппаратных комплексов, ориентированных на использование в конкретных школьных заведениях.

Результатом работы ЭС является определение архитектуры целесообразного программно-аппаратного комплекса и стратегической программы его развития на ближайший период.

Принципиальной особенностью данной ЭС является поддержка в БДиЗ трех моделей трех взаимосвязанных предметных областей: характеристик предметов школьного обучения, свойств компьютерных обучающих систем и характеристик вычислительных комплексов. Поэтому исходные данные для принятия решения можно разделить на три класса.

1) Информация о школьном заведении:

— цели и содержание предметов обучения;

— состав и структура функционирующих вычислительных средств;

— объемы текущего и планируемого финансирования компьютеризации обучения.

2) Данные о компьютерных системах обучения:

— общие характеристики доступных компьютерных обучающих комплексов;

— их состояние, условия поставки, цели использования;

— требования к мощности вычислительных комплексов;

— планируемые поставки компьютерных систем и тенденции изменения цен на рынке.

3) Информация о вычислительных комплексах:

— характеристики комплектующих элементов (модулей) вычислительной техники;

— их стоимость на рынке и тенденции изменения цен;

— возможные структуры вычислительных комплексов;

— их характеристики по стоимости и мощности.

Собственно для поддержки и использования этих трех БДиЗ необходимо реализовать соответственно три ЭС. Но нужна еще система, поддерживающая их взаимодействие и принимающая интегральное обоснованное решение.

Таким образом, в комплексной экспертной системе можно выделить четыре системы, три из которых могут работать и в автономном режиме.

•       Безусловный интерес представляет ЭС комплексирования вычислительных средств с заданными параметрами и определенной стоимости. И не только для школьных заведений, а практически для всех предприятий и учреждений, в которых используются компьютерные технологии.

•       Для школьных заведений значительный интерес представляет ЭС определения, адекватных их проблемной ориентации, компьютерных обучающих комплексов.

•       Существенное значение для школ имеет и автоматизированное определение целостности, непротиворечивости, полноты, последовательности, сбалансированности содержания образования, которое в них получают учащиеся. А это — назначение ЭС учителей-методистов и преподавателей.

•       Четвертая система выполняет функции интеграции этих трех ЭС и обеспечения диалогового режима работы пользователя (лица принимающего решение — ЛПР) при определении целесообразного комплекса.

Состав и структура баз данных и знаний

На рисунке 1 представлена общая схема состава и структуры БДиЗ комплексной ЭС.

1) В составе БДиЗ учителей-методистов и преподавателей выделяется три БДиЗ:

— комплекс иерархических структур — деревьев целей обучения (TG);

— система иерархических структур — программ обучения (ТР);

— содержание обучения (TS).

♦     В БДиЗ TG учителя-методисты описывают деревья целей обучения. Заметим, что детализация целей должна быть разумна, т.е., например, не может быть подцели выучить умножение на "2", или выучить закон Ома. Цели и подцели вообще должны формулироваться в других терминах. Например, формирование навыков использования законов Ома при решении задач или формирование умения читать географические карты [4]. Таких деревьев целей, очевидно, будет столько, сколько предметов преподается в школе, с учетом еще и классов — от первого до одиннадцатого.

♦     Программы обучения вводятся в БДиЗ ТР. Они также представляют собой иерархические структуры (с постепенной детализацией): предмет-раздел-тема. Очевидно нет необходимости детализировать структуру материала предмета обучения до уровня уроков. Достаточно указать в каждом объекте иерархической структуры, сколько часов отводится на изучение соответствующего материала.

В БДиЗ TS преподаватели и учителя-методисты отражают содержание обучения. Конечно, в ней не поддерживается весь материал соответствующих учебников и учебных пособий. Для экспертов — это электронная записная книжка. В ней хранится (и обслуживается системой) информация о различных ссылках на учебные материалы, собственные заметки о его структуризации, различные выдержки из публикаций и т.п., данные, необходимые учителям для быстрого воспроизведения содержания необходимых предметов обучения.

Между этими БДиЗ должны поддерживаться отношения "TG «TP «TS", которые, с одной стороны, соответствуют отображениям целей обучения в программы, затем программ в содержание обучения, с другой — показывают, каким разделам, темам и т.п. соответствуют данные фрагменты содержания обучения и далее — достижению каких целей способствуют данные разделы и темы программы.

Заметим, что TG-структуры можно считать гипертекстовыми системами [5-7] по отношению к TP-структурам, а БДиЗ ТР — гипертекстом TS-структур. Таким образом, для отношений "TG®TP" и "TP®TS" характерно отображение "1:N". Поэтому для каждого элемента TG должен существовать хотя бы один элемент в ТР. То же самое — для отображения "TP®TS". Обратные соответствия TS®TP® TG-имеют функциональный характер.

Поддержка этих структур в БДиЗ обеспечивает проверку целостности, непротиворечивости, сбалансированности, согласованности, последовательности, полноты целей, программ и содержания обучения.

С помощью этих структур можно осуществлять и оптимизацию распределения программ обучения по временным интервалам (урокам, неделям, четвертям).

Конечно, формировать и систематизировать информацию для этих БДиЗ могут только квалифицированные педагоги.

Вполне очевидна значимость БДиЗ и процессов их создания с учетом, с одной стороны, текущей реформы содержания школьного образования (особенно по гуманитарным предметам), с другой — непрерывного появления раз-личных специализированных школьных заведений самой разнообразной проблемной ориентации. В будущем представляется целесообразным создание и поддержка некоторой обобщенной системы БДиЗ . А раз-личные учебные заведения из нее фильтруют необходимую информацию в свои БДиЗ. Затем необходимым образом их наращивают. Но такое обобщение можно будет производить только после того, как система будет построена для ряда (мы думаем не менее 50) школ. Тогда можно будет обобщить статистику использования различных тем, разделов программ, целей (локальных и глобальных), фрагментов содержания обучения в различных школах. Выделим ядро в этой БДиЗ и определим структуры специализаций.

2) В составе БДиЗ программистов и системоаналитиков также выделяется три БДиЗ:

— цели и предметная ориентация компьютерных обучающих комплексов (AG);

— компьютерные системы обучения (АР);

— характеристики компьютерных обучающих комплексов (АС).

Эти БДиЗ представляет собой архив, каталог и информационно-поисковую систему (ИПС) компьютерных обучающих комплексов.

Программисты создают системы обучения, системоаналитики исследуют рынок программных комплексов, и вся информация записывается в архив АР.

à  В АР-структуре обязательно хранится стоимость каждой компьютерной системы обучения, координаты фирмы-разработчика и условия поставки. Сам программный комплекс может и отсутствовать.

à  В БДиЗ АС описывают требования каждой компьютерной системы обучения к вычислительному комплексу (объемом памяти, мощности процессора, разрешающей способности монитора и т.д.). Сюда же мы относим и требования к конфигурации сети (если они присутствуют) и операционной системе (MS DOS, UNIX, WINDOWS и т.д.).

à  Отношения "АР«АС" биактивны, т.е. каждой записи в АР соответствует одна, и только одна, запись в АС и наоборот.

à   В БДиЗ AG системоаналитики поддерживают классификатор программных средств. Он является многокритериальным и многоуровневым. Например, SOFT-средства классифицируются по знаниям, навыкам, умениям, формированию которых они способствуют. Их можно классифицировать по предметам обучения (темам, разделам), по принципам и методам их реализации: ЭС, авторский курс, игровая программа, интеллектуальная обучающая система и т.п. [6, 8, 9]. Далее, например, компьютерные обучающие игры делятся на логические, тренажеры и прочее [6].

Вполне очевидно, что отношения "AG « АР" имеют сложный сетевой характер — "M:N"; т.е. одному элементу в иерархических структурах AG может соответствовать несколько объектов АР и наоборот, одна запись архива АР отображается на несколько элементов в AG-структурах.

Заметим, что в настоящее время на Украине нет такого Центра, в котором концентрировалась бы вся эта информация, а для учебных заведений крайне необходимо иметь систематизированные данные о компьютерных системах обучения.

Отношение (1) между Т-БДиЗ и А-БДиЗ не случайно расслаивается на три связи (рис. 1). Это обусловлено тем, что часто обучающие системы разрабатываются под конкретные разделы, темы программ и содержания обучения (например WHY, ОСТРОВ, СТЕРЕОМЕТРИЯ и т.п. в [6]). Относительно связи (1.3) необходимо отметить (это касается и (1.1), и (1.2)), что могут быть цели (подцели), не поддерживаемые какими-либо программными комплексами, и наоборот. Обратное справедливо для SOFT-средств, которые способствуют передаче знаний, формированию навыков и умений, не предусмотренных школьной программой. Например, игра "АНАКОНДА", которая способствует навыкам работы с клавиатурой компьютера. Поэтому, для того, чтобы преподаватели знали о таких "инородных", относительно их основной деятельности, компьютерных системах, в БДиЗ TG необходимо поддерживать специальную структуру целей.

3) В составе БДиЗ инженеров-электронщиков и конструкторов HARD-средств также выделяется три БДиЗ:

—  характеристики вычислительных комплексов (DC);

— характеристики комплектующих изделии(модулей) (DM);

—   стоимостные характеристики HARD-средств (DP).

à  В БДиЗ DC описываются варианты компоновки вычислительных комплексов: число и типы ПЭВМ, структура сети, мощность процессора, объем оперативной памяти и т.п.

à  В БДиЗ DM хранятся и обслуживаются характеристики локальных модулей вычислительной техники, их мощности и возможности по интеграции друг с другом.

Структуры DC и DM весьма сложны, т.к. их классификация, так же, как и SOFT-средств, многокритериальная и многоуровневая. И отношения "DC«DM" имеют характер сложных сетевых "M:N", поскольку одному варианту комплекса вычислительных средств соответствуют несколько модулей из DM, и наоборот — один модуль DM входит в несколько типов вычислительных комплексов в DC.

à  В БДиЗ DP описываются стоимости HARD-средств и тенденции их изменения на рынке.

Отношения "DM«DP" имеют характер "N:l", т.е. каждый модуль имеет вполне определенную цену (на текущий момент времени), но для компоновки можно приобрести различные модули.

Отношение "DC«DP" демонстрируют (рис. 1) тот факт, что в стоимость вычислительного комплекса, помимо суммы цен модулей, входит цена его сборки.

На рисунке 2 в условной системе координат демонстрируются примеры диаграмм сборки получаемых ПЭВМ. При этом, ось абсцисс соответствует параметру мощность (но можно считать и по параметру цена), а ось ординат — идентификаторам модулей. Этому параметру соответствует шкала наименований (т.е. возможны только операции: "=" и "¹"), его значения ограничены и дискретны.

На рисунке 2 деления осей абсцисс представляют векторы мощностей:

CPU — процессора ПЭВМ,

RAM — оперативной памяти,

HDD — памяти на винчестерах,

FDD — памяти на флоппи-дисках,

CRT — монитора (терминала),

KBD — клавиатуры ПЭВМ.

Вполне очевидно, что здесь перечислены не все модули ПЭВМ, поскольку на рисунке представлен условный пример. Для упрощения понимания материала, приведем несколько значений некоторых векторов (для ПЭВМ IBM PC).

CPU =(8086, 80286, 80386, 80386SX, 80386DX, 80486, 80486SX, 80486DX, 80486SLC, 80486DLC, Pentium);

RAM = (1, 2, 4, 8, 16, 20. 32,..) (Мб);

HDD =(40, 80, 100, 120, 150, 170, 200, 210, 240, 300,420, 540, 640, 920, 1200,..) (Мб);

FDD = (360, 720, 1200,..) (Кб);

CRT = (CGA, EGA, VGA, SVGA, XGA);

KBD = (пленочная, кнопочная, герконовая, контактная, мягкая,..)

Каждая ломаная линия на рисунке отображает конкретный вариант сборки ПЭВМ. Внизу рисунка представлена весьма простая формула расчета общей стоимости På. Верхний индекс идентифицирует вариант сборки. Общая стоимость складывается из стоимостей модулей и цены самого процесса комплектации. Мы обозначили ее Рnсб, т.к. она в некоторой степени зависит от комплектации.

Многообразие типов и классов модулей определяют сложность ЭС данного класса. В некоторой степени она аналогична ЭС XCON [10], разработанной для составления рабочей конфигурации компонентов вычислительной системы VAX-11 на основании перечня требований к характеристикам системы, задаваемых покупателем поставщику.

В данном случае информация об этих требованиях поступает в систему посредством интерфейса (2) (рис. 2). Эти требования явно и неявно разделяются на необходимые мощности элементной базы (2.1) и комплекса в целом (2.2).

В будущем, после накопления опыта оснащения различных школьных заведений компьютерными классами, постепенно, на основании обработки статистических данных, сформируется серия типовых целесообразных проблемно-ориентированных вычислительных комплексов.

На рисунке 3 представлен условный пример формирования фрагмента матрицы значений параметров-характеристик вычислительных комплексов, заказываемых школьными заведениями. Все обозначения и значения параметров, используемые на рисунке, введены выше. В нижней части рисунка дана трактовка специальных (для данной матрицы) обозначений.

4) База данных и знаний ЛПР связана отношениями (3), (4), (5) соответственно с Т-, А- и D-структурами.

Пользователь, определив свои финансовые возможности, характеристики вычислительного комплекса, который в настоящее время имеется в наличии, посредством интерфейса (3) выбрав цели, программы и содержание обучения в его школьном заведении, в интерактивном режиме просматривает предлагаемые системой альтернативные варианты. Варьируя объемы финансирования между HARD- и SOFT-средствами (последние можно приобрести потом), он оценивает варианты, смотрит обоснование целесообразности выбора. Заметим, что система может посоветовать ему подождать месяц-другой, с учетом тенденций изменения цен рынка. В том случае, когда у пользователя (учебного заведения) уже есть какой-то вычислительный комплекс, система рекомендует стратегический план его реконструкции, советует продать его какой-либо школе. Пользователь может посмотреть, какие школьные заведения и как оснащены вычислительной техникой и какие программные обучающие комплексы они используют (во что это им обошлось) — разумеется, при условии, что эта информация открыта.

Заметим, на рисунке 1 не демонстрируются последние объекты и отношения. Но такую информацию в БДиЗ КЭС целесообразно поддерживать, в частности, для накопления статистики использования HARD- и SOFT-средств, определения их рейтингов, обеспечения своевременности поставки данных о новых их поступлениях на рынок (с учетом проблемной

ориентации школ), предупреждения их о целесообразности проведения очередной модификации вычислительных комплексов и т.д.

Некоторые проектные решения по созданию КЭС изложены в [5, 11-13].

В настоящее время в Киевском Инженерном предприятии ПОТОК разрабатывается комплексная экспертная система, принципы реализации которой здесь изложены.

Список литературы

1. Вязгин П.В., Федоров В.В. математические методы автоматизации проектирования . - М.: Высш. шк., 1989. — 184 с.

2. Искусственный интеллект. В 3-х кн. – М.,: Радио и связь, 1990.

3. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений. - М.: Наука, 1989. — 320 с.

4.  Онищук B.O. Тип, структура i методика уроку вшколь — К.: Рад. школа, 1973. — 160 с.

5. Хатхоху М.Н., Валькман Ю.Р. Компьютерные технологии обучения в школе: принципы построения, методы реализации, технология использования. - К.: Изд-во. фирмы"КИТ", 1995.—100 с.

6.    Компьютерная технология обучения: словарь-справочник. —К.: Наукова думка. — 1992. — 650 с.

7.  Hathohu M. Specific Character of Hyper-text and Multimedia System Building in Modern Technology of Collective Training// International Jornal on Infomation Theories & Applications. — 1994. Vol. 2, № 3. — pp. 28-33.

8.  Peruship V., Dovgiallo F. (End) Computer Technologies in Education. — Proceetding of International Conference on Computer Technlogies in Education (ICCTE'93) Kiev, Ukraine, September 14-17, 1993. —203 p.

9.  Гриценко В.И., Довгялло A.M. Пути развития информатизации образования// Информатика и образование. — 1989. — №6.

10.    Polit, Stephe. Rl and beyond: At technology transter at DEC. The Al Magazine, Winter, 1985. (XCON)

11.    Hathohu M. Prisnciples and Methods or Workinq Qut of Series of Unified Computer Complexes for ComputerTechologies of Education in Scholl// International Hornal on Information Theouries & Applications. — 1995. vol. 3. № 3, pp. 28-35.

12.    Hathodu M. Expert System of Computer Complex for Computer Techologies of Education in schooV/ XXII Internationsl Scholl and Conference on Computer Aided Dtsaga "New Information Technologies Applications in Science. Education, Medicine and Business", Ukraine, Crimea, Yalta-Gurzuff. May, 4-14, 1995. —vol. 1. —P. 202.

13.    Хатхоху М.Н. АРМ учителя-методиста — базовое средство интеллектуализации компьютерных технологии обучения в школе. // Тез. докл. Междунар. семинара: Компьютерные технологии в промышленности. - К.: Изд-во. Об-ва "Знание". —С. 8-10.