Software & Systems

Человек играет только тогда, когда он в полном значении слова человек, и он бывает вполне человеком только тогда, когда играет.

Ф. Шиллер

...игры детей – вовсе не игры и... правильнее смотреть на них как на самое значительное и глубокое мысленное занятие этого возраста.

М. Монтень

Уже давно стали трюизмом целесообразность и эффективность использования в школьных компьютерных технологиях обучающих игровых программных комплексов. Ни в коей мере не умаляя существенных достижений в этой области деятельности отечественных и зарубежных специалистов, мы предлагаем несколько иной подход к построению систем обучения данного класса.

Его целью является разработка методов генерации сценариев обучающих игровых программных комплексов на основании сюжетов зарубежной и отечественной литератур и реализация соответствующей системы автоматизации проектирования игр.

Специфика создания и использования  обучающих игр в школьной информатике

С нашей точки зрения, при разработке игровых обучающих программ для школ желательно учитывать следующие специфические аспекты.

1. Необходимо в играх обеспечивать детективную компоненту сюжета. Например, как в произведениях Кира Булычева о космических пиратах, Алисе Селезневой и т.п. или в известном сериале “Назад в будущее”, или даже несколько таких линий, как в произведениях А. Хейли “Отель”, “Аэропорт”.

2. Представляется целесообразным создавать не конкретные сценарии определенных обучающих игр, а разработать несколько “гиперсценариев”, объединяющих ряд аналогичных сюжетов.

3. В целях мотивации творчества необходимо широко использовать различные кроссворды, ребусы, шарады, загадки, головоломки и т.п. При этом возможности компьютера обеспечивают реализацию самых разнообразных видеозагадок (например, как “Кроссворды с фрагментами“, которые раньше печатались в журнале “Наука и жизнь“) в форматах графических образов, в частности, с анимацией.

4. С целью обеспечения постоянного интереса к игре необходимо в ее рамках поддерживать множественность ситуаций, сюжетов, их комбинаций. При этом в играх могут использоваться вероятностные стратегии смены сюжета, имитационные модели и т.п. [1].

5. Необходимо обеспечивать простоту управления сменой ситуаций и сюжетов, их структурой, поведением персонажей по вполне объяснимым причинам.

6. С учетом различного уровня знаний и способностей учеников необходима поддержка в каждой игре (и, собственно, в любом компьютерном курсе) нескольких не только уровней “передаваемых знаний и навыков”, но и уровней управления. Например, с ранжированием “от простого к сложному”: 1) ответы “ДА/НЕТ”, 2) выбор из меню и т. д.

7. Необходимо четкое соответствие каждой игре целей обучения и, наоборот – каждой цели множества адекватных игр. Собственно, это же относится и к любому обучающему программно-информационному комплексу.

8. Все игры и другие программные комплексы должны быть ранжированы по мощности используемых базовых аппаратных средств (памяти ПЭВМ, мощности монитора и т.п.).

9. Желательно предусмотреть реализацию коалиционных игр типа (и с использованием методов и материалов) таких известных телевизионных передач, как “Счастливый случай”, “Поле чудес”, “Устами младенца”, “Звездный час” и т. п.

Заметим, что при этом между различными участниками могут распределяться разные роли. И такие игры также должны быть ранжированы по мощности используемых аппаратных средств. Например:

· один ученик – один компьютер,

· два ученика – один компьютер ,

· три и более учеников – один компьютер,

· два ученика – два компьютера (в сети) и т.д.

При достаточно мощном аппаратном обеспечении возможно выделение супервизорного компьютера (для учителя) или даже целого их ряда, быть может, с иерархической структурой управления.

Особый интерес в этом отношении представляют исследования Проппа В.Я. [2], в которых автор выделил небольшой набор базовых элементов (стереотипных ситуаций и унифицированных героев), показал, что любая волшебная сказка представляет собой одно из возможных их сочетаний, а М.Г.Гаазе-Рапопорт, Д.А.Поспелов, Е.Т. Семенова [3,4], разработали программный комплекс TALE на ЭВМ для “порождения” текстов различных сказок.

Отметим и монографию [5], в которой авторы посредством сказок мотивируют целесообразность схем статики и динамики, являющихся основой для создания языка имитационного моделирования сложных систем.

С нашей точки зрения данные исследования [3-6] являются хорошей базой для построения сценариев обучающих игр с использованием технологии гипертекстов, каковыми фактически являются структуры стереотипных ситуаций и отношения между унифицированными героями (их атрибуты, признаки, характеристики). По-видимому, не представляет особых затруднений перенос действия сказок в современные условия. Очевидно, по аналогии с понятием “гипертекст” можно ввести категорию “гиперсценария игры”.

Таким образом, в основе предлагаемой концепции лежат исследования по проблематике искусственного интеллекта, в частности [7,12], идеология построения систем класса “Живые книги” (LIVING BOOKS), анализ принципов разработки многочисленных современных компьютерных игр [8-11] и технология создания гипермультимедиа-систем [13].

Структура инструментального комплекса генерации обучающих игр-сказок

На рисунке 1 представлена структура инструментального комплекса синтеза обучающих игровых программ. Ее основой является архитектура известной системы генерации литературных произведений TALE [3,4]. Но, в отличие от этой системы, результатом работы комплекса является не текст произведения-сказки, а компьютерная видеоигра в форме управляемого мультфильма.

На рисунке 1 изображены процессы (операционные блоки) синтеза игры, а справа “ используемые информационные ресурсы. Последние представляют собой систему взаимосвязанных баз данных и знаний (БДиЗ). В отличие от системы TALE, в этих БДиЗ хранятся видеоданные (в форме фрагментов изображений и мультфильмов); текст при этом выступает в качестве трактовки соответствующих поступков героев, их характеристик, описания локусов [12], их связей (как “соседства” географии, так и последовательности действий, причинно-следственных и родовидовых отношений). Структуры БДиЗ поддерживаются посредством реляционной модели, алгебры фреймов и системы продукций.

На рисунке не представлены инструментальные средства системы управления БДиЗ и генерации, ввода, систематизации текстовой и видеоинформации в БДиЗ.

Рассмотрим кратко технологию генерации игр-сказок.

Представляетеся целесообразным выделить три контура управления синтезом соответствующего программного комплекса: стратегический – блоки 1, 2; тактический – блоки 3,4; оперативный – блоки 5,6.

В блоке 1 выбирается сюжет произведения (литературного или кинофильма), формируется общая экспозиция, “фоновая” видеоинформация, выделяются уровни управления стереотипными ситуациями, строятся детективные линии сюжета. При этом используется БДиЗ гиперсценариев, которая содержит декларативную (обобщенные фрейм-сценарии различных произведений, фрейм-характеристики их локусов) компоненту.

В блоке 2 выбираются главные и второстепенные положительные и отрицательные герои сказок, определяются их характеристики (в том числе изображения); из их состава выделяются управляемые обучаемым персонажи, определяются параметры и система управления (кнопки на клавиатуре, функции манипулятора типа “мышь”). Заметим, что, в отличие от системы TALE, в БДиЗ рассматриваемого комплекса может быть больше семи “унифицированных” действующих лиц (Героя, его Помощника, Дарителя, Антигероя и т.п. [3]), но часто вполне достаточно и их.

В блоке 3 конкретизируется поведение действующих лиц в различных ситуациях. Как и в системе TALE, герои произведений наделяются способностью совершать различные поступки, перемещаясь в системе локусов. Поступки персонажей описываются в БДиЗ специальными фреймами ролевого поведения, которые содержат постоянную часть, определяемую типом персонажа, и переменную, ситуативную часть, зависящую от хода разворачивания сюжета. Поэтому операции этого блока генератора тесно связаны с процессами, осуществляемыми в блоке 4.

Здесь выбирается система локусов, в которой действуют герои. Вместе в блоках 3 и 4 формируется видеоинформация, в том числе текущая, о каждом персонаже в данный момент времени, определяются мотивы и поступки действующих лиц, определяются их траектории движения по локусам с отражением предыстории поведения персонажей и использованием данных о закономерностях, которым должна удовлетворять дальнейшая имитация поступков героев (и антигероев) и передвижений их в другие (альтернативные) локусы. Таким образом фактически строится и итерационно уточняется сценарий компьютерного “видеопроизведения”.

В качестве примера рассмотрим фрагмент результата работы компонента системы TALE (TALE-2, см. [4]):

...............

ПОЕХАЛ ЦАРЬ НА ОХОТУ

ВСТРЕТИЛ ЦАРЬ БАБУ-ЯГУ

БАБА-ЯГА ДАЛА ЦАРЮ ЗЕЛЬЕ ПОЛЕЗНОЕ

ВЕРНУЛСЯ ЦАРЬ ДОМОЙ

РОДИЛСЯ ОТ ЭТОГО ЗЕЛЬЯ СЫН ИВАН-ЦАРЕВИЧ

ВЫРОС ИВАН-ЦАРЕВИЧ

УНЕСЛА БАБА-ЯГА ИВАНА-ЦАРЕВИЧА

................

Как известно из [3], программа TALE-1 генерирует цепочку фрейм-глаголов, а TALE-3 и TALE-4 должны обеспечивать приведенную “достаточно примитивную, но осмысленную структуру волшебной сказки” [14] расцветкой: эпитетами, метафорами и т.п.

Мы ставим перед собой задачу генерации на основании таких структур текстов соответствующих видеороликов (мультфильмов). Именно поэтому представляется целесообразным (особенно на первом этапе разработки данного инструментального комплекса) не только использовать принципы реализации системы TALE, но, быть может, и соответствующее программное обеспечение.

Рассмотрим подробнее приведенный фрагмент работы TALE-2.

· Во-первых, системой TALE используется ограниченный словарь, и мы, по-видимому, можем каждому “существительному” поставить в соответствие графический образ (картинку). Так, например, можно построить графические образы (изображения) целого спектра героев и антигероев (Царей, Иван-царевичей и т.д.), дворцов, лесов (соответствующих карт их расположения-географии), различных зельев (полезных и вредных), чудо-мечей и т.п. Вполне очевидно, что “глаголам” соответствуют действия. Причем не обязательно одного героя. Например, наряду с поехал, вернулся, вырос, в данном фрагменте мы видим и встретил, дала, унесла. В соответствие глаголам мы ставим программные модули, обеспечивающие перемещение героев, антигероев и прочие их действия (вырос, родился и т.п.) и взаимодействия (дала, встретил и т.д.). Заметим, что “действовать” могут и “неодушевленные объекты”, например “загорелся лес”, “море бушевало” и т. д. И не все, конечно, так просто. К примеру, как показать, что царь поехал (именно) на охоту. Очевидно, придется принимать проектные решения и по более сложным проблемам. Но принципиальным моментом является то, что TALE-система уже работает в вычислительной среде.

Очень привлекательно в данном случае применение идеологии объектно-ориентированного проектирования [17], так как здесь явно выделяются и классы, и объекты, и процедуры, и очевидно использование технологии наследование свойств и характеристик объектов и процессов.

· Во-вторых, структура предложений, генерируемых TALE-системой, достаточно проста. В данном случае, по-видимому, использование эпитетов, метафор и прочих “атрибутов расцветки” художественных произведений только затруднило бы реализацию адекватного (в той или иной мере) видеопроизведения.

· В-третьих, некоторый интерес представляют и комментарии производимых на экране действий в форме текста (в данном случае подрисуночного), который может выводиться непосредственно из системы TALE. Но это, очевидно, не является проблемой. С другой стороны, можно было бы “озвучить” этот текст. По аналогии с программными комплексами фирмы APPLE Talking Tiles (Разговаривающая черепица), Reader Rabbit (Читающий кролик), Reading Maze (Лабиринт чтения). Но это мы не считаем главной задачей.

Вернемся к проблемам обучения.

Для того, чтобы полученное видеопроизведение стало компьютерной игрой, обучаемому необходимо предоставлять возможность управления героями (или антигероями) в различных ситуациях; “точки” и характер (возможные операции) управления определяются в блоках 3 и 4. Заметим, что в случае коализионных игр один ученик может управлять героем, другой – антигероем; можно даже (при наличии достаточных вычислительных ресурсов) распределить в классе между школьниками вообще всех действующих лиц.

Таким образом, сказка или иное произведение (которое в силу “своей художественности” по сути тоже почти всегда является сказкой) трансформируется в игру.

Теперь эту компьютерную видеоигру необходимо сделать обучающей. Эти процедуры осуществляются в блоке 5. Здесь мы предлагаем вместо традиционных драк с мечами и без (посредством восточных единоборств), бесконечной стрельбы из всех видов оружия по живым и неживым существам и предметами (см. огромное количество самых разнообразных компьютерных игр) решать различные загадки, ребусы, шарады, кроссворды и т.п. с широким использованием видеоинформации, в том числе с анимацией (в дальнейшем будем называть этот вид информации “задачами”).

В процессе развития данного проекта мы намерены использовать и другие средства и процедуры, увеличивающие активность обучаемого.

В блоке 5 учитель-методист для различных сюжетов, в которых предполагается борьба (например для сказок с Соловьем-разбойником, Кощеем Бессмертным, пиратами Толстяком и Весельчаком У и т.п.), подбирает соответствующие изучаемому предмету (математике, физике, истории, географии, иностранному языку и т.д.) задачи. При решении задач учащийся получает определенное число очков, которое, с одной стороны, определяют его рейтинг (оценку уровня его знаний и умений), с другой – обусловливают поведение “его персонажа” в данной ситуации. При этом в одном окне терминала отражаются результаты операций по решению задач учащимися, а в другом – соответствующие действия управляемого им героя: блуждание по темному лесу, неудачное или успешное преодоление различных преград и препятствий в достижении цели: огня, воды, гор и т.п.

Обратим внимание, что таким образом мы, во-первых, предохраняем (хочется надеяться) ребенка от воспитания агрессивных наклонностей, во-вторых, сохраняем клавиатуру (теперь не нужны частые и интенсивные нажатия одних и тех же клавиш), в-третьих (и в-главных), локальные (переход с уровня на уровень) и глобальная цели игры заменяются (неявно!) обучением. Напомним, что основная цель любой обучающей игры “это мотивация творчества учащегося.

Заметим также, что посредством операций блока 5 учитель имеет возможность не только контролировать знания ученика, но и формировать для него задание с учетом уровня его знаний. В данном блоке и в соответствующей БДиЗ будут широко использоваться принципы и методы создания конструктора обучающих игр ЭРУДИТ (см. подраздел 2.6) и других игровых обучающих программ [8, 11].

В блоке 6 осуществляется окончательная сборка и отладка обучающей игры-сказки.

В седьмом блоке – ее апробация, в результате которой может потребоваться корректировка тех или иных аспектов сценария (см. рис. 1).

Здесь мы рассмотрели принципы постро-ения инструментального комплекса в самом общем виде; некоторые проектные решения по созданию компьютерных игр изложены в [8,11].

Некоторые аспекты реализации  программно-информационного комплекса

Рассмотрим некоторые, с нашей точки зрения нетрадиционные, схемы, предлагаемые к использованию в построении сценариев обучающих игр. В этих схемах широко используется картографическая информация; они в значительной степени предназначены для интеграции предметов обучения.

На первой схеме (рис. 1) демонстрируется фрагмент результатов работы инструментального комплекса генерации обучающих игр. На рисунке условно представлены локальные схемы гиперсценария, частных сценариев, подсценариев. Каждый сценарий можно рассматривать как семантическую сеть причинно-следственных цепочек (альтернатив, циклов) смены сюжетов.

На рисунке 2 вертикальные стрелки фактически показывают родовидовые отношения, а стрелки на “поверхностях” – причинно-следственные.

В дальнейшем предполагается разработка формального аппарата для описания сценариев и операций их построения и редактирования, в том числе экспликация категорий “сценарий”, “сюжет”, “действующий персонаж” и т.п. При построении этого аппарата будет широко использоваться работа Д.А. Поспелова [16].

Например, по аналогии с определениями 1.1 и 1.2 (в [16], стр. 26) ведем понятия “текущей” и “полной ситуации”. Далее на их основе и базе языка ситуационного управления попробуем определить понятие “сценария”, “сюжета”. Выделим, классифицируем, систематизируем “свойства” действующих лиц и “характеристики” их действий и т. д.

На рисунке 3 представлена условная схема отношений между картами, которые мы трактуем как локусы (в которых действуют “герои”) для построения сценариев компьютерных игр на основе сюжетов романов Кира Булычева, сериала “Назад в будущее” и т.п. Например, Алиса Селезнева путешествует в пространстве и во времени, а учащийся на первом этапе узнает историю развития нашей цивилизации и на втором (карты заменяются контурными) демонстрирует свои знания. На этом этапе также широко используются видеозагадки (открытки с изображением характерной архитектуры – в каком городе?”, или “какая эпоха”? и т.п.).

Для реализации системы таких (“реальных”, в отличие от волшебных сказок) локусов-карт необходима разработка специализированного инструментального комплекса обработки картографической информации, что само по себе представляет достаточно сложную проблему (включающую, например, решение задач генерализации карт, их “сшивки”, увеличения/уменьшения масштабов и т. д. – см. рис. 3).

Таким образом удобно изучать не только историю, но и географию, искусство и т.п. Кроме этого, изучаются не отдельные предметы, но формируется целостное представление о том или ином фрагменте нашей действительности или прошлого. Уместно пpи этом еще pаз вспомнить тезис Рассела А. Аккоффа «Нужно перестать поступать так, словно природа делится на дисциплины, как в университетах». Здесь же представляется уместным обратить внимание на то, что пора акцентировать обучение не только на освоении того или иного предмета (курса), но и на формировании различных навыков у обучаемых.

Поэтому в практике школьной информатики целесообразно использовать различные игры, способствующие, например, только развитию пространственного воображения (трехмерный тетрис, построение сложных геометрических тел и т.п.), освоению декартовой системы координат (“Морской бой”), развитию логического мышления (CURTAN) и т.д.

В настоящее время в Инженерном предприятии «Поток» начаты научно-исследовательские проработки предлагаемой концепции и параллельное создание макетных вариантов рассмотренных выше инструментальных средств с целью апробации предлагаемых проектных и конструкторских решений.

Список литературы

1. Цвиркунов В. Краткая классификация компьютерных игр // Программистские ведомости. - Киев: Укр. респуб. агентство объединения прикладных диалоговых систем ЦЭНДИСИ СССР. – 1991. – Т 1. – С. 23-26.

2. Пропп В.Я Морфология сказки. – М.: Наука, 1969.

3. Гаазе-Рапопорт М.Г., Поспелов Д.А.,Семенова Е.Т. Порождение структур волшебных сказок. – М.: Научный совет по комплексной проблеме“Кибернетика”при Президиуме АН СССР. – 1980. – 20 с.

4. Гаазе-Рапопорт М.Г., Поспелов Д.А,Семенова Е.Т./ Имитация сказочного мира// Принципиальные вопросы теории знаний. – Тарту, 1984. – С. 46-53.

5. Цифровая имитация автоматизированных систем / А.А.Болтянский, В.А.Виттих, М.А.Кораблин и др.– М.: Наука, 1983.– 264 с.

6. Гаазе-Рапопорт М.Г., Поспелов Д.А. От амебы до робота: модели поведения– М.: Наука, 1987. – 288 с.

7. Мартиросян А.А., Погосян З.М. Обучение//Искусственный интеллект: В 3 кн. – М.: Радио и связь, 1990. – Кн. 2. – С. 206-231.

8. Компьютерные игры. – Л.: Лениздат, 1988.– 168 с.

9. Гнездилова Г.Г, Гончаров О.А., Сенин Г.В. Компьютерные игры. // Искусственный интеллект: В 3 кн. – М.: Радио и связь, 1990. – Кн. 2. – С. 143-149.

10. Гнездилова Г.Г., Гончаров О.А., Сенин Г.В. Персональный компьютер в играх и задачах. – М.: Наука, 1988. – 20 с.

11. Адельсон-Вельский Г.М. и др. Программирование игр.– М.: Наука, 1978.–255 с.

12. Кандрашина Е.Ю., Литвинцева Л.В., Поспелов Д.А. Представление знаний о времени и пространстве в интеллектуальных системах. – М.: Наука, 1989. – 328 с.

13. Marcure I. Hypermedia and Multimedia-the “revolution”//Desktop Electronic Publishing & Graphics Magazine, 1991. – N 49, pp. 24-27.

14. Гаазе-Рапопорт М.Г., Зарипов Р.Х. Машинное творчество//Искусственный интеллект. В 3 кн.– М.: Радио и связь, 1990.– Кн. 2. – С. 126-137.

15. Брябрин В.М. Программное обеспечение персональных ЭВМ. – М.: Наука, 1989. – 272 с.

16. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. – М.: Наука, 1986. – 288 с.

17. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения / Пер с англ. – М.: Конкорд, 1992. – 519 с.